Partículas "invisibles" para amplificar el efecto termoeléctrico

Un nuevo enfoque de diseño, basado en partículas que en ciertos aspectos se comportan como si fuesen invisibles, podría mejorar la eficiencia de dispositivos que generan electricidad a partir de diferencias de temperatura.

Los dispositivos termoeléctricos, los cuales pueden generar corriente eléctrica a partir de una diferencia de temperatura, o usar electricidad para producir calentamiento o enfriamiento sin requerir piezas móviles, han sido explorados en laboratorios desde el siglo XIX. En los últimos años, su eficiencia ha mejorado lo suficiente como para hacer posible su uso comercial, aunque limitado, como por ejemplo en sistemas de enfriamiento integrados dentro de asientos de automóvil. Pero para poder usarlos en otras aplicaciones, como por ejemplo para aprovechar el calor residual de motores y centrales eléctricas, se necesitan materiales mejores.

Ahora, una nueva forma de mejorar la eficiencia de estos dispositivos, desarrollada por investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Cambridge, y la Universidad Rutgers, en Estados Unidos ambas instituciones, podría ampliar su abanico de aplicaciones.

El nuevo trabajo de investigación y desarrollo, realizado por Gang Chen, Mildred Dresselhaus, Bolin Liao, Mona Zebarjadi y Keivan Esfarjani, se basa en el hecho de que fragmentos nanométricos de un material pueden exhibir propiedades significativamente diferentes a las de fragmentos más grandes del mismo material. En ese sentido, el equipo de investigación ha trabajado en afinar la composición, dimensiones y densidad de las nanopartículas insertadas para maximizar las propiedades termoeléctricas del material.


(Una de las nanopartículas insertadas en un material. El movimiento de los electrones, mostrado con líneas de color marrón, es curvado de tal forma que parecen no ser afectados por la presencia de la partícula, lo cual hace posible que pasen con muy poca resistencia.) (Imagen: Cortesía de los investigadores)

El nuevo trabajo también se basa en métodos desarrollados por investigadores en óptica que han estado tratando de crear capas de invisibilidad (dispositivos para hacer que los objetos seleccionados se vuelvan invisibles a determinadas ondas de radio o de luz, usando a tal fin materiales nanoestructurados que curvan la luz). El equipo del MIT aplicó métodos similares para insertar partículas capaces de reducir la conductividad térmica del material sin alterar su alta conductividad eléctrica.

El resultado es algo así como una capa de invisibilidad para los electrones.

El concepto que hizo factible las mejoras se puede definir como antirresonancia, en contraposición a la resonancia. Las partículas incrustadas bloquean a los electrones de la mayoría de los niveles de energía, mientras que los de una estrecha gama de energías pueden pasar con poca resistencia.

Ajustando el tamaño de las nanopartículas, es factible hacerlas "invisibles" para los electrones, pero no para los fonones - las partículas virtuales que transportan el calor.

De hecho, las nanopartículas insertadas pueden ampliar el flujo de electrones. Eso permite aumentar la conductividad eléctrica de manera significativa.

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