¿Cómo se mantiene fría la gaseosa más pequeña del mundo? Los científicos de UCLA pueden tener la respuesta.

Un equipo dirigido por el profesor de física de la UCLA, Chris Regan, ha logrado crear refrigeradores termoeléctricos de solo 100 nanómetros de espesor, aproximadamente una diez millonésima parte de un metro, y ha desarrollado una nueva técnica innovadora para medir su rendimiento de refrigeración.

"Hemos fabricado el frigorífico más pequeño del mundo, "dijo Regan, el autor principal de un artículo sobre la investigación publicado recientemente en la revista ACS Nano .

Para ser claro, estos dispositivos minúsculos no son refrigeradores en el sentido cotidiano:no hay puertas ni cajones para verduras. Pero a mayor escala, la misma tecnología se utiliza para enfriar computadoras y otros dispositivos electrónicos, para regular la temperatura en redes de fibra óptica, y reducir el "ruido" de la imagen en telescopios y cámaras digitales de alta gama.

¿Qué son los dispositivos termoeléctricos y cómo funcionan?

Hecho intercalando dos semiconductores diferentes entre placas metalizadas, estos dispositivos funcionan de dos formas. Cuando se aplica calor, un lado se calienta y el otro permanece frío; esa diferencia de temperatura se puede utilizar para generar electricidad. Los instrumentos científicos de la nave espacial Voyager de la NASA, por ejemplo, han sido alimentados durante 40 años por electricidad de dispositivos termoeléctricos envueltos alrededor de plutonio productor de calor. En el futuro, Se pueden usar dispositivos similares para ayudar a capturar el calor del escape de su automóvil para alimentar su aire acondicionado.

Pero ese proceso también se puede ejecutar a la inversa. Cuando se aplica una corriente eléctrica al dispositivo, un lado se calienta y el otro frío, lo que le permite servir como enfriador o refrigerador. Esta tecnología ampliada podría algún día reemplazar el sistema de compresión de vapor en su refrigerador y mantener su refresco de la vida real helada.

Lo que hizo el equipo de UCLA

Para crear sus neveras termoeléctricas, El equipo de Regan, que incluía a seis estudiantes universitarios de UCLA, utilizó dos materiales semiconductores estándar:telururo de bismuto y telururo de antimonio-bismuto. Pegaron cinta adhesiva regular a trozos de los materiales a granel convencionales, pelado y luego cosechado fino, las escamas de un solo cystal del material todavía se adhieren a la cinta. De estos copos fabricaron dispositivos funcionales que tienen solo 100 nanómetros de espesor y un volumen activo total de aproximadamente 1 micrómetro cúbico, invisible a simple vista.

Para poner este pequeño volumen en perspectiva:sus uñas crecen miles de micrómetros cúbicos por segundo. Si sus cutículas estuvieran fabricando estos diminutos refrigeradores en lugar de uñas, cada dedo produciría más de 5, 000 dispositivos por segundo.

"Batimos el récord del enfriador termoeléctrico más pequeño del mundo por un factor de más de diez mil, "dijo Xin Yi Ling, uno de los autores del artículo y ex estudiante de pregrado en el grupo de investigación de Regan.

Si bien los dispositivos termoeléctricos se han utilizado en aplicaciones de nicho debido a ventajas como su pequeño tamaño, su falta de piezas móviles y su fiabilidad, su baja eficiencia en comparación con los sistemas convencionales basados ​​en compresión ha impedido la adopción generalizada de la tecnología. Simplemente pon, a escalas mayores, los dispositivos termoeléctricos no generan suficiente electricidad, o permanecer lo suficientemente frío, todavía.

Pero al centrarse en nanoestructuras, dispositivos con al menos una dimensión en el rango de 1 a 100 nanómetros, Regan y su equipo esperan descubrir nuevas formas de sintetizar materiales a granel de mejor rendimiento. Las propiedades buscadas de los materiales en los enfriadores termoeléctricos de alto rendimiento son una buena conductividad eléctrica y una mala conductividad térmica. pero estas propiedades casi siempre son mutuamente excluyentes. Sin embargo, se podría encontrar una combinación ganadora en estructuras casi bidimensionales como las que ha creado el equipo de Regan.

Una característica distintiva adicional del "refrigerador" a nanoescala del equipo es que puede responder casi instantáneamente.

"Su pequeño tamaño lo hace millones de veces más rápido que un frigorífico que tiene un volumen de un milímetro cúbico, y eso ya sería millones de veces más rápido que el frigorífico que tienes en tu cocina, "Dijo Regan.

"Una vez que entendemos cómo funcionan los refrigeradores termoeléctricos a nivel atómico y casi atómico, " él dijo, "podemos escalar a la macroescala, donde está la gran recompensa ".

Medir qué tan fríos se vuelven los dispositivos

Medir la temperatura en dispositivos tan pequeños es un desafío. Los termómetros ópticos tienen mala resolución a escalas tan pequeñas, mientras que las técnicas de exploración de la sonda requieren especializadas, equipo caro. Ambos enfoques requieren calibraciones minuciosas.

En 2015, El grupo de investigación de Regan desarrolló una técnica de termometría llamada PEET, o termometría de expansión de energía de plasmón, que utiliza un microscopio electrónico de transmisión para determinar las temperaturas a nanoescala midiendo los cambios de densidad.

Para medir la temperatura de sus enfriadores termoeléctricos, los investigadores depositaron nanopartículas hechas del elemento indio sobre cada una y seleccionaron una partícula específica para que fuera su termómetro. A medida que el equipo variaba la cantidad de energía aplicada a los refrigeradores, los dispositivos calentados y enfriados, y el indio se expandió y contrajo correspondientemente. Midiendo la densidad del indio, los investigadores pudieron determinar la temperatura precisa de la nanopartícula y, por lo tanto, el enfriador.

"PEET tiene la resolución espacial para mapear gradientes térmicos a una escala de pocos nanómetros, un régimen casi inexplorado para materiales termoeléctricos nanoestructurados, "dijo Regan, quien es miembro del Instituto de NanoSistemas de California en UCLA.

Para complementar las medidas de PEET, los investigadores inventaron una técnica llamada termometría de condensación. La idea básica es simple:cuando el aire normal se enfría a una cierta temperatura, el punto de rocío, el vapor de agua en el aire se condensa en gotas de líquido, ya sea rocío o lluvia. El equipo aprovechó este efecto encendiendo su dispositivo mientras lo observaba con un microscopio óptico. Cuando el dispositivo alcanzó el punto de rocío, diminutas gotas de rocío se formaron instantáneamente en su superficie.

Regan elogió el trabajo de sus estudiantes investigadores para ayudar a desarrollar y medir el rendimiento de los dispositivos a nanoescala.

"Conectando la ciencia de materiales avanzada y la microscopía electrónica a la física en áreas cotidianas, como refrigeración y formación de rocío, ayuda a los estudiantes a aprender rápidamente sobre los problemas, ", Dijo Regan." Verlos aprender e innovar me da muchas esperanzas para el futuro de la termoeléctrica ".