Dopando un material termoeléctrico con pequeñas cantidades de azufre, un equipo de investigadores ha encontrado un nuevo camino hacia grandes mejoras en la eficiencia de los materiales para el calentamiento y enfriamiento de estado sólido y la recaptura de energía residual. Este enfoque altera profundamente la estructura de la banda electrónica del material - seleniuro de telururo de bismuto - mejorando la llamada "figura de mérito, "una clasificación del desempeño de un material que determina la eficiencia en las aplicaciones y abre la puerta a aplicaciones avanzadas de materiales termoeléctricos para recolectar el calor residual de las plantas de energía en chips de computadora.

"Este es un avance emocionante porque nos permite desenredar dos propiedades acopladas desfavorablemente que limitan el rendimiento termoeléctrico, "dijo Ganpati Ramanath, un experto en nanomateriales, y el profesor John Tod Horton '52 de ciencia e ingeniería de materiales en el Instituto Politécnico de Rensselaer (RPI), quien lideró el equipo. "Es más, nuestro enfoque funciona tanto para nanocristales como para materiales a granel, que es relevante para las aplicaciones ".

Los materiales termoeléctricos pueden convertir un voltaje en un gradiente térmico, lo que hace que un lado de un material se caliente o enfríe, y viceversa. La eficiencia con la que un material es capaz de convertir un voltaje en un gradiente térmico está determinada principalmente por la figura de mérito del material. Los materiales termoeléctricos de última generación no son muy eficientes, limitar su uso a aplicaciones específicas como refrigeradores de picnic, calentadores de agua domésticos, control de clima en el asiento del automóvil y gafas de visión nocturna. Con mejora sustancial en figura de mérito, Los materiales termoeléctricos podrían usarse para aplicaciones más avanzadas, como la recolección de calor residual en centrales eléctricas y motores, y chips de computadora de enfriamiento.

"El setenta por ciento de toda la pérdida de energía es calor. Si podemos generar incluso un 5 por ciento más de electricidad a partir de ese calor residual, estaremos en camino de lograr un gran impacto en la producción de energía y la reducción de las emisiones de dióxido de carbono, "dijo Theo Borca-Tasciuc, profesor de ingeniería mecánica en Rensselaer y miembro clave del equipo, con experiencia en sistemas y física térmica. "La termoeléctrica también podría permitir compacto, y sistemas modulares de bomba de calor para revolucionar el aire acondicionado para aplicaciones en automóviles y edificios ".

La figura de mérito de un material termoeléctrico depende de tres propiedades:conductividad eléctrica:la capacidad del material para conducir electrones; Coeficiente de Seebeck:capacidad de conversión cruzada de electricidad y calor; y conductividad térmica:la capacidad del material para conducir calor. Por una alta figura de mérito, un material tendría una alta conductividad eléctrica, alto coeficiente de Seebeck, y baja conductividad térmica. Una barrera para lograr una alta tasa de mérito es que la conductividad eléctrica y el coeficiente de Seebeck tienen una relación inversa; uno aumenta el otro disminuye.

"Dopando seleniuro de telururo de bismuto con cientos de partes por millón de azufre, podemos aumentar tanto la conductividad eléctrica como el coeficiente de Seebeck en los nanocristales, así como en los materiales a granel hechos a partir de los nanocristales, ", Dijo Ramanath. La investigación demuestra un aumento de hasta un 80 por ciento en la cifra de mérito del material a granel." Se podrían lograr mayores mejoras con un mayor dopaje o el uso de otros dopantes ".

"El gran desafío en la generación de energía con termoeléctrica es cómo obtener alto voltaje y baja resistencia al mismo tiempo. Nuestro trabajo muestra un nuevo e importante camino a seguir:necesitamos optimizar este método y ponerlo en práctica, "dijo David Singh, un profesor de la Universidad de Missouri cuyos cálculos teóricos proporcionan una base para explicar los resultados observados en términos de cambios complejos en la forma de la estructura de la banda electrónica.

La investigación se detalla en el 11 de mayo de 2016, edición en línea de Materiales avanzados en el artículo "Aprovechamiento de los efectos de la banda topológica en el seleniuro de telururo de bismuto para grandes mejoras en las propiedades termoeléctricas a través del dopaje isovalente". El trabajo es una colaboración entre investigadores de Rensselaer, Universidad de Missouri, y el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido en Alemania. Por este trabajo, Devender, el primer autor del artículo y estudiante de doctorado de Ramanath, recibió un premio Norman Stoloff por excelencia en investigación de posgrado otorgado por el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Rensselaer. Devender trabaja actualmente en GlobalFoundries Inc.

La investigación de Ramanath ejemplifica el trabajo que se realiza en The New Polytechnic, abordar desafíos globales difíciles y complejos, la necesidad de una verdadera colaboración interdisciplinaria, y el uso de las últimas herramientas y tecnologías, muchos de los cuales se desarrollan en Rensselaer. Su investigación se centra en nanomateriales e interfaces para aplicaciones en electrónica y energía. Sus investigaciones incluyen el desarrollo de nuevos tipos de materiales a granel y películas delgadas mediante síntesis y ensamblaje dirigido, así como la creación de interfaces adaptadas molecularmente con propiedades novedosas o únicas. Los descubrimientos recientes de Ramanath incluyen una nueva clase de nanomateriales termoeléctricos, incluida esta nueva variante de seleniuro de telururo de bismuto dopado con azufre, construido a partir de ensamblajes de nanoestructuras esculpidas para refrigeración de estado sólido de alta eficiencia y recolección de electricidad a partir del calor residual. junto con capas nanomoleculares de "nanoglue" que pueden unir materiales antiadherentes, inhibir la mezcla química, y potenciar el transporte térmico.