Investigadores de la Universidad Metropolitana de Tokio han demostrado que una cantidad conocida como conductividad termoeléctrica es una medida eficaz de la dimensionalidad de los nanomateriales termoeléctricos recientemente desarrollados. Estudiar películas de nanotubos de carbono de pared simple semiconductores y láminas atómicamente delgadas de sulfuro de molibdeno y grafeno, encontraron claras distinciones en cómo este número varía con la conductividad, de acuerdo con las predicciones teóricas en materiales 1D y 2D. Tal métrica promete mejores estrategias de diseño para materiales termoeléctricos.

Los dispositivos termoeléctricos toman diferencias de temperatura entre diferentes materiales y generan energía eléctrica. El ejemplo más simple son dos tiras de diferentes metales soldadas entre sí en ambos extremos para formar un bucle; calentar una de las uniones mientras se mantiene fría la otra crea una corriente eléctrica. A esto se le llama efecto Seebeck. Sus aplicaciones potenciales prometen un uso eficaz de la enorme cantidad de energía que se desperdicia como calor disipado en la vida cotidiana. ya sea en transmisión de potencia, escape industrial, o incluso calor corporal. En 1993, se teorizó que atómicamente delgado, Los materiales unidimensionales tendrían la combinación ideal de propiedades necesarias para crear dispositivos termoeléctricos eficientes. La búsqueda resultante llevó a la aplicación de nanomateriales como los nanotubos de carbono semiconductores de pared simple (SWCNT).

Sin embargo, había un problema en curso que impedía caracterizar con precisión los nuevos diseños y sistemas. Las propiedades clave de los dispositivos termoeléctricos son la conductividad térmica, conductividad eléctrica, y el coeficiente de Seebeck, una medida de cuánto voltaje se crea en la interfaz entre diferentes materiales para una diferencia de temperatura dada. A medida que la ciencia de los materiales avanzó hacia la era de la nanotecnología, estos números no eran suficientes para expresar una propiedad clave de los nuevos nanomateriales que se estaban creando:la "dimensionalidad" del material, o cómo 1D, 2D o 3D se comporta el material. Sin un confiable métrica inequívoca, se vuelve difícil discutir, y mucho menos optimizar nuevos materiales, particularmente cómo la dimensionalidad de su estructura conduce a un rendimiento termoeléctrico mejorado.

Para abordar este dilema, un equipo dirigido por el profesor Kazuhiro Yanagi de la Universidad Metropolitana de Tokio se propuso explorar un nuevo parámetro señalado recientemente por estudios teóricos, la "conductividad termoeléctrica". A diferencia del coeficiente de Seebeck, Los cálculos teóricos del equipo confirmaron que este valor variaba de manera diferente con el aumento de la conductividad para 1D, Sistemas 2D y 3D. También confirmaron esto experimentalmente, preparar películas delgadas de nanotubos de carbono de pared simple, así como láminas atómicamente delgadas de sulfuro de molibdeno y grafeno, materiales arquetípicos en 1D y 2D respectivamente. Las mediciones mostraron de manera concluyente que la conductividad termoeléctrica del material 1D disminuyó a valores más altos de conductividad, mientras que la curva de los materiales 2D se estabilizó. También señalan que esto demuestra cómo se retiene la dimensionalidad del material incluso cuando el material se prepara en películas macroscópicas, un gran impulso para los esfuerzos por aprovechar la dimensionalidad específica de ciertas estructuras para mejorar el rendimiento termoeléctrico.

Combinado con cálculos teóricos, el equipo concluye que la alta conductividad termoeléctrica, alta conductividad eléctrica convencional, y la baja conductividad térmica son objetivos clave para la ingeniería de nuevos dispositivos. Esperan que estos sean mensurables Los objetivos tangibles aportarán la claridad y la unidad que tanto se necesitan para el desarrollo de dispositivos termoeléctricos de última generación.