Ilustración de nanotubos de carbono metálicos alineados en el dispositivo termoeléctrico del equipo. Un gradiente de temperatura hace que fluya una corriente eléctrica. Crédito:Universidad Metropolitana de Tokio
Los científicos de la Universidad Metropolitana de Tokio han utilizado nanotubos de carbono "metálicos" alineados para crear un dispositivo que convierte el calor en energía eléctrica (un termoeléctrico dispositivo) con una mayor potencia de salida que los nanotubos de carbono semiconductores puros (CNT) en redes aleatorias. El nuevo dispositivo evita la problemática compensación en los semiconductores entre conductividad y voltaje eléctrico, superando significativamente a su contraparte. Los dispositivos termoeléctricos de alta potencia pueden allanar el camino para un uso más eficiente del calor residual, como la electrónica portátil.
Los dispositivos termoeléctricos pueden convertir directamente el calor en electricidad. Cuando pensamos en la cantidad de calor desperdiciado en nuestro entorno, como en los escapes de aire acondicionado, motores de vehículos o incluso calor corporal, Sería revolucionario si de alguna manera pudiéramos recuperar esta energía de nuestro entorno y darle un buen uso. Esto contribuye de alguna manera a impulsar el pensamiento detrás de la electrónica y la fotónica portátiles, dispositivos que pueden llevarse sobre la piel y alimentarse con el calor corporal. Las aplicaciones limitadas ya están disponibles en forma de luces y relojes inteligentes que funcionan con calor corporal.
La potencia extraída de un dispositivo termoeléctrico cuando se forma un gradiente de temperatura se ve afectada por la conductividad del dispositivo y el coeficiente de Seebeck, un número que indica cuánto voltaje eléctrico se genera con una cierta diferencia de temperatura. El problema es que existe una compensación entre el coeficiente de Seebeck y la conductividad:el coeficiente de Seebeck cae cuando el dispositivo se vuelve más conductor. Para generar más energía, idealmente queremos mejorar ambos .
Factor de potencia frente a conductividad para películas CNT puramente semiconductoras y metálicas. La proporción de NTC metálicos aumenta de izquierda a derecha. Toda la trama a la derecha corresponde a películas CNT metálicas alineadas. Exhiben una potencia significativamente mayor que todas las demás películas. Crédito:Universidad Metropolitana de Tokio
Los materiales semiconductores generalmente se consideran candidatos superiores para dispositivos termoeléctricos de alto rendimiento. Sin embargo, un equipo dirigido por el profesor Kazuhiro Yanagi de la Universidad Metropolitana de Tokio conoció a un héroe inesperado en forma de CNT "metálicos". A diferencia de los CNT puramente semiconductores, descubrieron que podían mejorar simultáneamente tanto la conductividad como el coeficiente de Seebeck de los CNT metálicos, romper el equilibrio entre estas dos cantidades clave. El equipo continuó demostrando que estas características únicas surgieron de la estructura electrónica metálica unidimensional del material. Es más, pudieron alinear la orientación de los CNT metálicos, logrando una producción que fue casi cinco veces mayor que la de las películas de CNT semiconductores puros orientados aleatoriamente.
Los elementos termoeléctricos de alto rendimiento no solo nos permitirán usar el calor corporal para alimentar nuestros teléfonos inteligentes, las posibles aplicaciones biomédicas garantizarán que desempeñen un papel importante en las aplicaciones cotidianas en el futuro.
