Los sistemas termoeléctricos son una forma ecológica y sostenible de recolectar energía de cualquier forma de calor que de otro modo se desperdiciaría. En el centro de este proceso de conversión de energía se encuentra el llamado efecto Seebeck, que describe la tensión que se acumula en un material expuesto a una diferencia de temperatura.
Sin embargo, a pesar de más de 100 años de intensa investigación, las eficiencias termoeléctricas siguen siendo inferiores a las de los motores térmicos convencionales, lo que hace que los termoeléctricos sólo sean adecuados para aplicaciones específicas.
Es por eso que uno de los principales empeños de los científicos hoy en día es encontrar nuevas estrategias para mejorar esta eficiencia. Nuestro último artículo "Impacto de la entropía de espín en las propiedades termoeléctricas de un imán 2D", publicado en Nano Letters , demuestra que una solución podría estar en circuitos basados en capas magnéticas bidimensionales (2D).
Las propiedades termoeléctricas están significativamente influenciadas por la entropía, que cuantifica el desorden en un sistema. Por lo tanto, todos los mecanismos que aumentan dichos parámetros pueden mejorar la eficiencia de conversión del dispositivo de recolección de energía.
En los materiales magnéticos 2D, dos factores adicionales pueden alterar la entropía:el orden magnético, que genera una contribución de "entropía de espín", y el número de capas a las que un portador de carga puede acceder en un material en capas 2D, lo que produce una "entropía de capa" adicional. "
En nuestro artículo, se miden las propiedades de transporte eléctrico y termoeléctrico del antiferroimán 2D CrSBr, al mismo tiempo que se cambia el orden magnético del material variando la temperatura de la muestra o aplicando un campo magnético externo. El estudio informa que la respuesta termoeléctrica aumenta con la temperatura a medida que los electrones y los espines se movilizan, alcanzando un máximo local alrededor de la temperatura de transición de fase magnética de Néel.
Además, se ha demostrado que un campo magnético puede mejorar el factor de potencia termoeléctrica hasta en un 600% a bajas temperaturas. Estos fenómenos se explican por la interacción de las diferentes contribuciones de entropía en el material y resaltan el fuerte impacto que tiene el orden magnético en la respuesta termoeléctrica de los imanes 2D.
Los resultados que informamos demuestran cómo el uso de imanes podría superar los límites de los dispositivos convencionales de recolección de energía, ya que sus propiedades termoeléctricas se pueden optimizar alterando la fase magnética y, por lo tanto, ajustando el impacto de la entropía del espín.
Además, el uso de materiales 2D desbloquea grados de libertad adicionales, como la posibilidad de ajustar la temperatura de transición mediante múltiples factores (es decir, espesor de la película, composición, activación electrostática) que podrían permitir maximizar su rendimiento termoeléctrico a temperatura ambiente. Todos estos hallazgos representan el primer pilar de una nueva forma de diseñar recolectores de energía más eficientes.
Esta historia es parte de Science X Dialog, donde los investigadores pueden informar los hallazgos de sus artículos de investigación publicados. Visite esta página para obtener información sobre Science X Dialog y cómo participar.
Más información: Alessandra Canetta et al, Impacto de la espín-entropía en las propiedades termoeléctricas de un imán 2D, Nano letras (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.4c00809
Información de la revista: Nanoletras
Alessandra Canetta es estudiante de doctorado de tercer año en la UCLouvain (Bélgica), bajo la supervisión del Prof. Pascal Gehring. El proyecto de doctorado de Canetta se centra en la investigación de las propiedades térmicas y termoeléctricas de materiales 2D, en particular imanes 2D.
