Materiales topológicos para convertir eficientemente el calor en electricidad.

Una investigación del Massachusetts Institute of Technology (MIT) demostró que los materiales topológicos podrían aumentar la eficiencia de los dispositivos termoeléctricos con el fin de convertir eficientemente el calor en electricidad. Este aporte podría ser aplicado de modo atractivo para todo el mundo; por ejemplo, para disponer de aire acondicionado usando sólo el calor generado por un día soleado y, por tanto, sin emitir gases de efecto invernadero.

Esto sería un gran avance en favor de la lucha contra el cambio climático porque, de acuerdo con la MIT Technology Review, el 5% de toda la energía consumida en Estados Unidos en un año, se destina solamente a la operación de sistemas de aire acondicionado.

Pero, ¿qué son los materiales topológicos? Son una clase de materiales caracterizados por poseer propiedades electrónicas únicas y que podrían, en un futuro cercano, servir incluso para construir súper computadoras. 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. En la actualidad, los dispositivos termoeléctricos se utilizan para aplicaciones de baja potencia, como alimentar sensores pequeños en oleoductos, o para respaldar baterías en sondas espaciales y refrigeradores pequeños.

Los científicos del MIT esperan diseñar dispositivos termoeléctricos más potentes que colecten el calor para convertirlo en electricidad. Descubrieron que una forma de aumentar tres veces esa eficiencia es usando materiales topológicos. Si bien, trabajos anteriores han sugerido que los materiales topológicos pueden servir como sistemas termoeléctricos eficientes, los investigadores dicen que 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.

Pero, ¿qué son los materiales topológicos? Son una clase de materiales caracterizados por poseer propiedades electrónicas únicas y que podrían, en un futuro cercano, servir incluso para construir súper computadoras.

En su experimento, el equipo del MIT identificó la propiedad subyacente que hace que ciertos materiales topológicos sean un material termoeléctrico potencialmente más eficiente, en comparación con los dispositivos existentes. También observaron que algunos materiales topológicos se pueden convertir en dispositivos termoeléctricos eficientes a través de la nanoestructuración, una técnica que se utiliza para sintetizar un material al modelar sus características a escala de nanométrica.

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 caminos libres promedio largos se dispersarán con fuerza, mientras que los electrones con caminos libres promedio más cortos se verán mucho menos afectados.

En sus experimentos, los investigadores encontraron que las características del electrón del telururo de estaño tienen un impacto significativo en sus caminos libres promedio. Los resultados expusieron que los electrones con mayor energía tienen un camino libre promedio más corto, mientras que los electrones de menor energía, generalmente, poseen un camino libre promedio más largo.

También descubrieron que, cuando disminuían el diámetro de un grano promedio a alrededor de 10 nanómetros, al unir sus límites, se observaba una mayor contribución de los electrones de mayor energía. Es decir, con granos más pequeños, los electrones de mayor energía contribuyen mucho más a la conducción eléctrica del material que los electrones de menor energía.

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

Fuente: http://news.mit.edu/

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