Nuevo material rompe récord mundial convirtiendo calor en electricidad

Un nuevo tipo de material genera corriente eléctrica de manera muy eficiente a partir de diferencias de temperatura.

Esto permite que sensores y pequeños procesadores se suministren energía de forma inalámbrica.

Los materiales termoeléctricos pueden convertir el calor en energía eléctrica.

Esto se debe al llamado efecto Seebeck: si hay una diferencia de temperatura entre los dos extremos de dicho material, se puede generar voltaje eléctrico y la corriente puede comenzar a fluir.

La cantidad de energía eléctrica que se puede generar a una diferencia de temperatura dada se mide mediante el llamado valor ZT: cuanto mayor sea el valor ZT de un material, mejores serán sus propiedades termoeléctricas.

Los mejores termoeléctricos hasta la fecha llegaron a valores de ZT de alrededor de 2.5 a 2.8.

Científicos de TU Wien (Viena) ahora han logrado desarrollar un material completamente nuevo con un valor ZT de 5 a 6.

Se trata de una capa delgada de hierro, vanadio, tungsteno y aluminio aplicada a un cristal de silicio.

El nuevo material es tan efectivo que podría usarse para proporcionar energía para sensores o incluso pequeños procesadores de computadora.

En lugar de conectar pequeños dispositivos eléctricos a los cables, podrían generar su propia electricidad a partir de las diferencias de temperatura.

“Un buen material termoeléctrico debe mostrar un fuerte efecto Seebeck y debe cumplir con dos requisitos importantes que son difíciles de conciliar”, dice el profesor Ernst Bauer, del Instituto de Física del Estado Sólido de TU Wien.

“Por un lado, debe conducir la electricidad lo mejor posible; por otro lado, debe transportar el calor lo menos posible.

Esto es un desafío porque la conductividad eléctrica y la conductividad térmica generalmente están estrechamente relacionadas”.

En el Christian Doppler Laboratory for Thermoelectricity, que Ernst Bauer estableció en TU Wien en 2013, se han estudiado diferentes materiales termoeléctricos para diferentes aplicaciones en los últimos años.

Esta investigación ahora ha llevado al descubrimiento de un material particularmente notable: una combinación de hierro, vanadio, tungsteno y aluminio.

“Los átomos en este material generalmente están dispuestos en un patrón estrictamente regular en una red reticulada cúbica centrada en la cara”, dice Ernst Bauer.

“La distancia entre dos átomos de hierro es siempre la misma, y ​​lo mismo es cierto para los otros tipos de átomos. Por lo tanto, todo el cristal es completamente regular”.

Sin embargo, cuando se aplica una capa delgada del material al silicio, sucede algo sorprendente: la estructura cambia radicalmente.

Aunque los átomos todavía forman un patrón cúbico, ahora están dispuestos en una estructura centrada en el espacio, y la distribución de los diferentes tipos de átomos se vuelve completamente aleatoria.

“Dos átomos de hierro pueden sentarse uno al lado del otro, los lugares al lado de ellos pueden estar ocupados por vanadio o aluminio, y ya no hay ninguna regla que dicte dónde se encuentra el próximo átomo de hierro en el cristal”, explica Bauer.

Esta mezcla de regularidad e irregularidad de la disposición atómica también cambia la estructura electrónica, que determina cómo se mueven los electrones en el sólido.

“La carga eléctrica se mueve a través del material de una manera especial, de modo que está protegida de los procesos de dispersión.

Las porciones de carga que viajan a través del material se denominan Fermiones Weyl”, dice Ernst Bauer.

De esta manera, se logra una resistencia eléctrica muy baja.

Las vibraciones de celosía, por otro lado, que transportan calor de lugares de alta temperatura a lugares de baja temperatura, son inhibidas por las irregularidades en la estructura cristalina.

Por lo tanto, la conductividad térmica disminuye.

Esto es importante si se va a generar energía eléctrica de forma permanente a partir de una diferencia de temperatura, porque si las diferencias de temperatura pudieran equilibrarse muy rápidamente y todo el material pronto tendría la misma temperatura en todas partes, el efecto termoeléctrico se detendría.

“Por supuesto, una capa tan delgada no puede generar una cantidad particularmente grande de energía, pero tiene la ventaja de ser extremadamente compacta y adaptable”, dice Ernst Bauer.

“Queremos usarlo para proporcionar energía para sensores y pequeñas aplicaciones electrónicas”.

La demanda de estos generadores a pequeña escala está creciendo rápidamente: en el “Internet de las cosas”, cada vez más dispositivos están conectados en línea para que coordinen automáticamente su comportamiento entre ellos.

Esto es particularmente prometedor para futuras plantas de producción, donde una máquina tiene que reaccionar dinámicamente a otra.

“Si necesita una gran cantidad de sensores en una fábrica, no puede conectarlos todos juntos.

Es mucho más inteligente que los sensores puedan generar su propia energía utilizando un pequeño dispositivo termoeléctrico”, dice Bauer.

Fuente: Tu Wien