El calor está en todas partes a nuestro alrededor. En los motores de nuestros coches, en los procesadores de nuestros ordenadores, en nuestras tuberías industriales. Y la mayor parte simplemente se desperdicia y se dispersa en el medio ambiente. Allá termoeléctrico Ha prometido desde hace tiempo capturar esta energía perdida, pero siempre se ha visto frenado por un dilema fundamental: ¿cómo conducir electricidad sin conducir también calor?
Ahora, un equipo liderado por Fabián Garmroudi En el Laboratorio Nacional de Los Álamos se ha encontrado una respuesta sorprendentemente eficaz. Combinando dos materiales Con estructuras reticulares incompatibles pero propiedades electrónicas compatibles, el equipo ha creado un híbrido que desafía las convenciones de la física de materiales. y duplica la eficiencia termoeléctrica. ¿Como? Echemos un vistazo juntos.
El desafío de las propiedades en conflicto
Los materiales termoeléctricos eficaces (semiconductores de estado sólido que convierten el calor en energía eléctrica) deben conducir la electricidad de manera eficiente y minimizar la transferencia de calor. Esto, como se mencionó, presenta un desafío particular: los materiales que conducen bien la electricidad generalmente también conducen bien el calor.
¿Cómo se explica Garmroudi:“En la materia sólida, el calor se transfiere tanto por portadores de carga móviles como por vibraciones de átomos en la red cristalina”. Es un problema que ha frustrado a los investigadores durante décadas, limitando las aplicaciones prácticas de esta prometedora tecnología.
En los materiales termoeléctricos, buscamos principalmente suprimir el transporte de calor a través de vibraciones reticulares, ya que no contribuyen a la conversión de energía.
Esta idea llevó al equipo hacia un enfoque completamente nuevo, Acaba de anunciarse en un comunicado de prensa. En lugar de modificar un solo material, ¿por qué no combinar dos con características complementarias?
La intuición termoeléctrica que cambia las reglas del juego
La innovación nació durante la estancia de investigación de Garmroudi en Tsukuba, Japón, con el apoyo del Premio Lions y realizado en elInstituto Nacional de Ciencia de los Materiales como parte de su trabajo en laUniversidad Técnica de Viena.
Bajo intenso calor y presión, fusionó dos polvos distintos: uno hecho de una aleación a base de hierro con vanadio, tantalio e aluminio. (Fe₂V₀.₉₅Ta₀.₁Al₀.₉₅), y el otro de una mezcla de bismuto-antimonio (Bi₀.₉Sb₀.₁). ¿El resultado? Un material híbrido compacto con un potencial termoeléctrico realmente prometedor: una vez más, las soluciones más elegantes surgen de combinaciones inesperadas.
Lo que hace que este enfoque sea particularmente brillante es que los dos materiales no se fusionan a nivel atómico. Debido a sus diferentes características químicas y mecánicas, el componente bismuto-antimonio se acumula selectivamente en las interfaces de tamaño micrométrico entre los cristales de la aleación FeVTaAl. ¿En palabras sencillas? Imagínate tener dos tipos de ladrillos LEGO completamente diferentes que no encajan entre sí. Cuando intentas combinarlos bajo presión y calor, en lugar de mezclarse y fusionarse completamente, permanecen separados. El bismuto-antimonio (un tipo de bloque de construcción) no se mezcla con la aleación de hierro (el otro tipo de bloque de construcción), sino que se asienta precisamente en los espacios entre los cristales de la aleación de hierro, creando “zonas límite” microscópicas.
Es precisamente en estas regiones límite donde ocurre la magia: los electrones pueden pasar fácilmente de un material a otro (buena conducción eléctrica), mientras que las vibraciones térmicas quedan bloqueadas (mala conducción térmica). Es como tener un filtro que deja pasar la electricidad pero bloquea el calor: exactamente lo que se necesita para lograr una eficiencia termoeléctrica récord.
Superando el estándar de la década de 50
“Este descubrimiento nos acerca mucho más a nuestro objetivo de desarrollar un material termoeléctrico que pueda competir con los compuestos disponibles comercialmente basados en telururo de bismuto”, concluye. Garmroudi. “El desacoplamiento selectivo del transporte de calor y carga permitió al equipo aumentar la eficiencia del material en más del 100 por ciento."
El telururo de bismuto, introducido en la década de 50, todavía se considera el referente para los materiales termoeléctricos. Sin embargo, los nuevos materiales híbridos ofrecen una ventaja importante: son significativamente más estables y más rentables.
Este avance podría transformar la forma en que alimentamos la Internet de las cosas, particularmente los microsensores y otros dispositivos electrónicos en miniatura. Imagine un futuro en el que el calor residual de plantas industriales, vehículos o incluso el cuerpo humano pudiera aprovecharse y transformarse en energía eléctrica utilizable.
Ahora es una posibilidad real gracias a esta investigación pionera que desafía los límites de lo que creíamos posible en la física de materiales.
