¿Qué pasaría si pudiera hacer funcionar su 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 convertirse algún día en una realidad.
Los dispositivos termoeléctricos están hechos de materiales que pueden convertir una diferencia de temperatura en electricidad, sin necesidad de piezas móviles, una cualidad que hace que los termoeléctricos sean una fuente de electricidad potencialmente atractiva. El fenómeno es reversible: si se aplica electricidad a un dispositivo termoeléctrico, puede producir una diferencia de temperatura. Hoy en día, los dispositivos termoeléctricos se utilizan para aplicaciones de relativamente baja potencia, como alimentar pequeños sensores a lo largo de oleoductos, respaldar baterías en sondas espaciales y refrigerar minifridges.
Pero los científicos esperan diseñar dispositivos termoeléctricos más potentes que cosechen calor, producido como subproducto de procesos industriales y motores de combustión, y conviertan ese calor desperdiciado 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 manera 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 de cómo los electrones en dichos materiales topológicos viajarían en respuesta a las diferencias de temperatura para producir un efecto termoeléctrico.
En un artículo 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.
«Hemos descubierto que podemos ampliar los límites de este material nanoestructurado de manera que los materiales topológicos sean un buen material termoeléctrico, más que los semiconductores convencionales como el silicio», dice Te-Huan Liu, postdoctorado 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 artículo de PNAS, que incluye a los estudiantes graduados 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, Profesor Asociado de Física de Biedenharn; y Gang Chen, el profesor Soderberg y jefe del Departamento de Ingeniería Mecánica.
Una trayectoria libremente recorrida
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 del extremo caliente al extremo frío, generando una corriente eléctrica. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, más corriente eléctrica se produce y más energía se genera. La cantidad de energía que se puede generar depende de las propiedades de transporte particulares 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 modelando 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 el telururo de estaño también exhiben propiedades peculiares que imitan una clase de materiales topológicos conocidos como materiales Dirac.
El equipo tuvo como objetivo comprender el efecto de la nanoestructuración en 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 dada viajaría libremente dentro de un material antes de ser dispersado 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 se encuentran con estos límites, tienden a dispersarse de varias maneras. Los electrones con trayectorias libres medias largas se dispersarán con fuerza, como balas que rebotan 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 de electrones del telururo de estaño tienen un impacto significativo en sus trayectorias libres medias. Trazaron el rango de energías electrónicas de telururo de estaño contra las trayectorias libres medias asociadas, y encontraron que el gráfico resultante se veía muy diferente al de la mayoría de los semiconductores convencionales. Específicamente, para el telururo 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.
El equipo luego analizó cómo estas propiedades de electrones afectan el rendimiento termoeléctrico del telururo de estaño, resumiendo esencialmente las contribuciones termoeléctricas de 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 baja energía tienden a tener un impacto negativo en la generación de una diferencia de voltaje y, por lo tanto, en la corriente eléctrica. Estos electrones de baja energía también tienen trayectorias libres medias más largas, lo que significa que pueden dispersarse por los límites de grano más intensamente que los electrones de mayor energía.
Reduciendo el tamaño
Yendo un paso más allá en sus simulaciones, el equipo jugó con el tamaño de los granos individuales de telururo de estaño para ver si esto tenía algún efecto en el flujo de electrones bajo un gradiente de temperatura. Descubrieron que cuando disminuyeron el diámetro de un grano promedio a unos 10 nanómetros, acercando sus límites, observaron una mayor contribución de 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 de grano promedio del telururo de estaño a unos 10 nanómetros producía tres veces la cantidad de electricidad que el material habría producido con granos más grandes.
Liu dice que, si bien los resultados se basan en simulaciones, los investigadores pueden lograr un rendimiento similar sintetizando telururo de estaño y otros materiales topológicos, y ajustando su tamaño de grano utilizando una técnica de nanoestructuración. Otros investigadores han sugerido que reducir el tamaño de grano de un material podría aumentar su rendimiento termoeléctrico, pero Liu dice que en su mayoría han asumido 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 en base a 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 materiales termoeléctricos, y nuestros resultados muestran que este es un material muy prometedor para aplicaciones futuras», dice Liu.
Esta investigación fue apoyada en parte por el Centro de Conversión de Energía Solar Térmica de Estado Sólido, un Centro de Investigación de Frontera Energética del Departamento de Energía de los Estados Unidos; y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA).