La eficiencia es grande en el diminuto mundo de los nanocables termoeléctricos. Los investigadores de Sandia National Laboratories dicen que mejores materiales y técnicas de fabricación para los nanocables podrían permitir a los fabricantes de automóviles recolectar energía del calor desperdiciado por los sistemas de escape o conducir a dispositivos más eficientes para enfriar chips de computadora.

Los investigadores de Sandia publicaron un artículo, "Utilizando el electroconformado galvanostático de Bi _1-x Sb _X Nanocables para controlar la composición, Cristalinidad y Orientación, "en la edición del 28 de enero del Boletín MRS de la Materials Research Society. Los autores son W. Graham Yelton, Steven J. Limmer, Douglas L. Medlin, Michael P. Siegal, Michelle Hekmaty, Jessica L. Lensch-Falk, Kristopher Erickson y Jamin Pillars.

El trabajo fue la primera vez que los investigadores lograron controlar la orientación de los cristales, tamaño del cristal y uniformidad de la aleación mediante un solo proceso. Los tres factores contribuyen a un mejor rendimiento termoeléctrico, Dijo Yelton.

"Los tres juntos significan una gran ganancia, y es difícil de hacer ", dijo." Es girar las perillas del proceso para que estas cosas se comporten ".

Mejores geometrías de nanocables pueden reducir la conductividad del calor y mejorar lo que se llama la figura termoeléctrica del mérito. una medida de la conductividad eléctrica y térmica de un material. Cuanto mayor sea la conductividad eléctrica y menor la conductividad térmica, cuanto mayor sea la cifra de mérito y, por lo tanto, cuanto más eficiente sea el material. Sin embargo, la calidad de los nanocables termoeléctricos anteriores resultó inadecuada.

Uso de nanocables termoeléctricos en su infancia

A pesar de su ineficiencia, algunos materiales termoeléctricos ya están en uso. Yelton compara su etapa de desarrollo con los primeros días de las células solares fotovoltaicas:todos vieron el potencial, pero eran tan ineficientes que se usaban solo cuando nada más funcionaba.

La mejora de la eficiencia de los nanocables aumentaría el uso de materiales termoeléctricos. Ya se utilizan en algunos sensores, y los fabricantes de vehículos esperan poder recolectar calor de los sistemas de escape para alimentar los sistemas de sensores de los vehículos, Dijo Yelton. Disminuir la energía necesaria para hacer funcionar el sistema operativo de un vehículo podría reducir el peso de la batería y el alternador y quizás eliminar algunos equipos de generación de energía. recortar el tamaño y el peso del vehículo.

El artículo de Sandia describe cómo el equipo creó matrices de nanocables termoeléctricos con una composición uniforme a lo largo del nanoalambre y a lo largo de la extensión de la matriz de nanocables. que potencialmente puede incluir cientos de millones de nanocables. Además, crearon cristales de nanocables de tamaño y orientación uniformes, o dirección. La composición uniforme mejora la eficiencia, mientras que la orientación es importante por lo que los electrones, los portadores de energía, fluir mejor.

El equipo utilizó un método rentable llamado electroformado a temperatura ambiente, que está muy extendido en galvanoplastia comercial. El electroformado deposita el material a una tasa constante, lo que a su vez permite que los nanocables crezcan a un ritmo constante. El método produjo alambres de 70 a 75 nanómetros de diámetro y muchos micrones de largo.

Yelton usó pulsos de corriente controlada para depositar el material termoeléctrico, controlando así la composición en todo el cable y la matriz. "Hay pequeños matices en la técnica que hago para permitir la orientación, el crecimiento de los cristales y la composición deben mantenerse dentro de un rango bastante estrecho, " él dijo.

La técnica permitió controlar aspectos importantes de la formación de nanocables.

El método produjo un resultado bastante grande, estructura de alambre cristalino ligeramente retorcido que era casi un monocristal y tenía la orientación deseada. "Sin eso, no podías conseguir buenas eficiencias, "Dijo Yelton.

La química del material también es importante. Para el equipo de Sandia, Las sales de antimonio juegan un papel importante en la calidad y orientación cristalinas. Las aleaciones de bismuto-antimonio (Bi-Sb) tienen uno de los más altos rendimientos termoeléctricos, actuando como conductor de electricidad y como aislante contra el calor, entre muchos materiales para aplicaciones de temperatura cercana a la habitación. Pero los materiales Bi-Sb existentes no producen un enfriamiento de estado sólido efectivo cuando la energía se entrega constantemente al dispositivo que se enfría. como una computadora.

El equipo de Sandia quería un compuesto que se comportara como un metal pero que no condujera el calor. Alear antimonio con bismuto encajaba a la perfección, Dijo Yelton. Las matrices de nanocables Bi-Sb electroformadas con una química basada en yoduro de antimonio carecían de las cualidades necesarias, pero las matrices electroformadas a partir de una química basada en cloruro de antimonio produjeron cristalografía y orientación para un rendimiento termoeléctrico máximo.

"La química nos permitió pasar de una estructura poli nanocristalina a casi monocristales de 2 a 5 micrómetros, "dando un mejor control sobre la uniformidad, Dijo Yelton.

Siguiente paso:haz un contacto eléctrico

El siguiente paso es más desafiante:hacer un contacto eléctrico y estudiar el comportamiento termoeléctrico resultante.

"Los materiales termoeléctricos forman fácilmente óxidos o intermetálicos, provocando conexiones de contacto deficientes o una mayor resistencia de contacto eléctrico. Eso reduce las ganancias logradas en el desarrollo de los materiales, "Dijo Yelton.

Si bien el equipo de Sandia ha podido obtener un buen contacto en la parte inferior de una matriz, hacer una conexión en la parte superior ha resultado difícil, él dijo.

"Hacer un contacto y medir el rendimiento de la matriz no es trivial, "Dijo Yelton.

Él y sus colegas están buscando más fondos para resolver el problema de establecer contactos con éxito. y luego caracterizar las propiedades termoeléctricas de las matrices. "Si tiene éxito en los laboratorios, intentaríamos encontrar un colaborador de la industria para madurar la idea, " él dijo.