Cómo los defectos del cristal pueden ayudar a convertir el calor residual en electricidad
Cómo los defectos de los cristales de las aleaciones con base de Ni dan lugar a elevadas eficiencias de conversión termoeléctrica, haciendo avanzar la tecnología termoeléctrica
Si queremos evitar la inminente crisis medioambiental, es imperativo que encontremos formas eficientes y sostenibles de evitar el despilfarro. Un área con mucho margen de mejora es el reciclaje del calor residual de los procesos industriales y los dispositivos tecnológicos para convertirlo en electricidad. Los materiales termoeléctricos están en el centro de la investigación en este campo porque permiten generar energía limpia a bajo coste.
Ejemplos de aplicaciones de generación de energía mediante conversión termoeléctrica. Se trata de la conversión del calor de los gases de escape de los motores de los automóviles en electricidad para su reutilización, o el uso de la diferencia de temperatura entre el cuerpo humano y el aire ambiente para generar electricidad que pueda alimentar los sensores del IoT.
Photo courtesy: Hidetoshi Miyazaki from Nagoya Institute of Technology
Para que los materiales termoeléctricos puedan utilizarse en campos tan diversos como la siderurgia o el transporte, deben ser capaces de funcionar tanto en regímenes de alta como de baja temperatura. En este sentido, las "aleaciones de medio Heusler basadas en Ni" están actualmente en el punto de mira gracias a su atractiva eficiencia termoeléctrica, su resistencia mecánica y su durabilidad. Aunque se han dedicado muchos esfuerzos a comprender y mejorar estas peculiares aleaciones, a los científicos les ha resultado difícil aclarar por qué las aleaciones basadas en el Ni de medio Heusler tienen una eficiencia de conversión tan elevada. Algunos han formulado la teoría de que los defectos en la estructura cristalina del material aumentan su conductividad térmica y, a su vez, su eficiencia de conversión. Sin embargo, se desconoce la estructura cristalina que rodea a los defectos, así como su contribución específica.
En un reciente estudio publicado en Scientific Reports, un equipo de científicos de Japón y Turquía, dirigido por el profesor asociado Hidetoshi Miyazaki, del Instituto Tecnológico de Nagoya (Japón), ha intentado aclarar esta cuestión. Su investigación combinó análisis teóricos y experimentales en forma de simulaciones de la estructura cristalina a gran escala y espectros de la estructura fina de absorción de rayos X (XAFS) en aleaciones de NiZrSn.
Con estas técnicas, el equipo calculó primero los efectos estructurales que tendría un átomo de Ni adicional (defecto) en la disposición de los cristales de NiZrSn. A continuación, verificaron las predicciones teóricas mediante distintos tipos de mediciones de XAFS, como explica el Dr. Miyazaki: "En nuestro marco teórico, asumimos que las distorsiones de la red cristalina eran consecuencia de los defectos atómicos para realizar los cálculos de la estructura de banda de los primeros principios. El XAFS permitió obtener información detallada sobre la estructura cristalina local alrededor de los defectos atómicos comparando los espectros experimentales y teóricos de la estructura cristalina". Estas observaciones permitieron a los científicos cuantificar con precisión la tensión que los defectos de Ni provocan en los átomos cercanos. También analizaron los mecanismos por los que estas alteraciones dan lugar a una mayor conductividad térmica (y eficiencia de conversión).
Los resultados de este estudio serán cruciales para el avance de la tecnología termoeléctrica, como señala el Dr. Miyazaki: "Esperamos que nuestros resultados contribuyan al desarrollo de una estrategia centrada en el control de la tensión alrededor de los átomos defectuosos, lo que a su vez nos permitirá diseñar nuevos y mejores materiales termoeléctricos". Es de esperar que esto conduzca a un salto en la tecnología de conversión termoeléctrica y acelere la transición hacia una sociedad menos derrochadora y descarbonizada, en la que el exceso de calor no se deseche simplemente, sino que se recupere como fuente de energía.
Por último, el Dr. Miyazaki subraya que las técnicas utilizadas para observar los cambios finos de tensión en las estructuras cristalinas pueden adaptarse fácilmente a otros tipos de materiales, como los destinados a aplicaciones espintrónicas y catalizadores.
No cabe duda de que hay mucho que ganar si se persiguen los pequeños detalles en la ciencia de los materiales, y podemos estar seguros de que este estudio marca un paso en la dirección correcta hacia un futuro mejor.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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