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Convirtiendo el calor en electricidad


2018-02-11 11:47:00 Lecturas: 281

Un estudio encuentra que los materiales topológicos podrían aumentar la eficiencia de los dispositivos termoeléctricos.


¿Qué pasaría si pudieras utilizar tu aire acondicionado no con electricidad convencional, sino con el calor del sol durante un cálido día de verano? Con los avances en la tecnología termoeléctrica, esta solución sostenible podría algún día convertirse en una realidad.

Los dispositivos termoeléctricos están hechos de materiales que pueden convertir una diferencia de temperatura en electricidad, sin requerir partes móviles, una cualidad que hace que la termoeléctrica sea una fuente de electricidad potencialmente atractiva. El fenómeno es reversible: si se aplica electricidad a un dispositivo termoeléctrico, puede producir una diferencia de temperatura. En la actualidad, los dispositivos termoeléctricos se utilizan para aplicaciones de relativamente baja potencia, como alimentar sensores pequeños a lo largo de oleoductos, hacer copias de seguridad de baterías en sondas espaciales y minineveras de enfriamiento.

Pero los científicos esperan diseñar dispositivos termoeléctricos más potentes que cosechen el calor, producido como un subproducto de los procesos industriales y los motores de combustión, y conviertan el calor que de otra manera se desperdicia en electricidad. Sin embargo, la eficiencia de los dispositivos termoeléctricos, o la cantidad de energía que son capaces de producir, es actualmente limitada.

Ahora los investigadores del MIT han descubierto una forma de aumentar esa eficiencia tres veces, utilizando materiales "topológicos", que tienen propiedades electrónicas únicas. Si bien el trabajo anterior ha sugerido que los materiales topológicos pueden servir como sistemas termoeléctricos eficientes, ha habido poca comprensión sobre cómo viajarían los electrones en tales materiales topológicos en respuesta a las diferencias de temperatura para producir un efecto termoeléctrico.

En un documento publicado esta semana en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias , los investigadores del MIT identifican la propiedad subyacente que hace que ciertos materiales topológicos sean un material termoeléctrico potencialmente más eficiente, en comparación con los dispositivos existentes.

"Descubrimos que podemos traspasar los límites de este material nanoestructurado de una manera que hace que los materiales topológicos sean un buen material termoeléctrico, más que los semiconductores convencionales como el silicio", dice Te-Huan Liu, un postdoc en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. "Al final, esta podría ser una forma de energía limpia para ayudarnos a usar una fuente de calor para generar electricidad, lo que disminuirá nuestra liberación de dióxido de carbono".

Liu es el primer autor del documento PNAS , que incluye a los estudiantes de posgrado Jiawei Zhou, Zhiwei Ding y Qichen Song; Mingda Li, profesora asistente en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear; el ex estudiante graduado Bolin Liao, ahora profesor asistente en la Universidad de California en Santa Bárbara; Liang Fu, el Profesor Asociado de Física de Biedenharn; y Gang Chen, profesor de Soderberg y jefe del Departamento de Ingeniería Mecánica.

Un camino libremente recorrido

Cuando un material termoeléctrico se expone a un gradiente de temperatura, por ejemplo, un extremo se calienta, mientras que el otro se enfría, los electrones en ese material comienzan a fluir desde el extremo caliente al extremo frío, generando una corriente eléctrica. Cuanto mayor es la diferencia de temperatura, más corriente eléctrica se produce y más potencia se genera. La cantidad de energía que se puede generar depende de las propiedades particulares de transporte de los electrones en un material dado.

Los científicos han observado que algunos materiales topológicos se pueden convertir en dispositivos termoeléctricos eficientes a través de la nanoestructuración, una técnica que los científicos utilizan para sintetizar un material al modelar sus características a escala de nanómetros. Los científicos han pensado que la ventaja termoeléctrica de los materiales topológicos proviene de una conductividad térmica reducida en sus nanoestructuras. Pero no está claro cómo esta mejora en la eficiencia se conecta con las propiedades topológicas inherentes del material.

Para tratar de responder a esta pregunta, Liu y sus colegas estudiaron el rendimiento termoeléctrico del telururo de estaño, un material topológico que se sabe que es un buen material termoeléctrico. Los electrones en teluro de estaño también exhiben propiedades peculiares que imitan a una clase de materiales topológicos conocidos como materiales Dirac.

El equipo se propuso comprender el efecto de la nanoestructuración sobre el rendimiento termoeléctrico del telururo de estaño, simulando la forma en que los electrones viajan a través del material. Para caracterizar el transporte de electrones, los científicos a menudo usan una medición llamada "camino libre medio" o la distancia promedio que un electrón con una energía determinada viajaría libremente dentro de un material antes de ser dispersada por varios objetos o defectos en ese material.

Los materiales nanoestructurados se asemejan a un mosaico de pequeños cristales, cada uno con bordes, conocidos como límites de grano, que separan un cristal de otro. Cuando los electrones encuentran estos límites, tienden a dispersarse de varias maneras. Los electrones con trayectorias libres largas y medias se dispersarán con fuerza, al igual que las balas que rebotarán en una pared, mientras que los electrones con trayectorias libres medias más cortas se verán mucho menos afectados.

En sus simulaciones, los investigadores encontraron que las características del electrón del telururo de estaño tienen un impacto significativo en sus sendas libres medias. Ellos trazaron el rango de energías electrónicas del telururo de estaño contra las rutas libres medias asociadas, y encontraron que el gráfico resultante se veía muy diferente de aquellos para la mayoría de los semiconductores convencionales. Específicamente, para el teluro de estaño y posiblemente otros materiales topológicos, los resultados sugieren que los electrones con mayor energía tienen un camino libre medio más corto, mientras que los electrones de menor energía generalmente poseen un camino libre medio más largo.

Luego, el equipo analizó cómo estas propiedades de los electrones afectan el rendimiento termoeléctrico del teluro de estaño, al resumir esencialmente las contribuciones termoeléctricas de los electrones con diferentes energías y caminos libres medios. Resulta que la capacidad del material para conducir electricidad o generar un flujo de electrones bajo un gradiente de temperatura depende en gran medida de la energía del electrón.

Específicamente, encontraron que los electrones de menor energía tienden a tener un impacto negativo en la generación de una diferencia de voltaje y, por lo tanto, de corriente eléctrica. Estos electrones de baja energía también tienen trayectorias libres medias más largas, lo que significa que se pueden dispersar por límites de grano más intensamente que los electrones de mayor energía.

Dimensionamiento

Yendo un paso más allá en sus simulaciones, el equipo jugó con el tamaño de los granos individuales del teluro de estaño para ver si esto tenía algún efecto sobre el flujo de electrones bajo un gradiente de temperatura. Descubrieron que cuando disminuían el diámetro de un grano promedio a alrededor de 10 nanómetros, al unir sus límites, observaban una mayor contribución de los electrones de mayor energía.

Es decir, con tamaños de grano más pequeños, los electrones de mayor energía contribuyen mucho más a la conducción eléctrica del material que los electrones de menor energía, ya que tienen trayectorias libres medias más cortas y es menos probable que se dispersen contra los límites de grano. Esto da como resultado una mayor diferencia de voltaje que se puede generar.

Además, los investigadores descubrieron que la disminución del tamaño medio de grano del telururo de estaño a aproximadamente 10 nanómetros producía tres veces la cantidad de electricidad que el material produciría con granos más grandes.

Liu dice que, si bien los resultados se basan en simulaciones, los investigadores pueden lograr un rendimiento similar al sintetizar teluro de estaño y otros materiales topológicos, y ajustar su tamaño de grano utilizando una técnica de nanoestructuración. Otros investigadores han sugerido que reducir el tamaño del grano de un material podría aumentar su rendimiento termoeléctrico, pero Liu dice que en su mayoría han supuesto que el tamaño ideal sería mucho mayor que 10 nanómetros.

"En nuestras simulaciones, descubrimos que podemos reducir el tamaño de grano de un material topológico mucho más de lo que se pensaba, y de acuerdo con este concepto, podemos aumentar su eficiencia", dice Liu.

El telururo de estaño es solo un ejemplo de muchos materiales topológicos que aún no se han explorado. Si los investigadores pueden determinar el tamaño de grano ideal para cada uno de estos materiales, Liu dice que los materiales topológicos pronto podrían ser una alternativa viable y más eficiente para producir energía limpia.

"Creo que los materiales topológicos son muy buenos para los materiales termoeléctricos, y nuestros resultados muestran que este es un material muy prometedor para futuras aplicaciones", dice Liu.

Esta investigación fue financiada en parte por el Centro de Conversión de Energía Solar Térmica de Estado Sólido, un Centro de Investigación de Energía Fronteriza del Departamento de Energía de EE. UU .; y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA).

Fuente: www.news.mit.edu





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