Nuevos materiales híbridos como termoeléctricos eficientes
Un equipo internacional dirigido por Fabian Garmroudi ha logrado producir nuevos materiales termoeléctricos eficientes que podrían competir con los materiales convencionales, caros e inestables.
Los materiales termoeléctricos permiten convertir directamente el calor en energía eléctrica. Esto los hace especialmente atractivos para la emergente "Internet de los objetos", por ejemplo para el suministro autónomo de energía de microsensores y otros componentes electrónicos diminutos. Para que los materiales sean aún más eficientes, también hay que contener las vibraciones de la red y aumentar la movilidad de los electrones, un obstáculo que a menudo ha entorpecido la investigación hasta la fecha.
Un equipo internacional dirigido por Fabian Garmroudi ha logrado desarrollar, mediante un nuevo método, materiales híbridos que cumplen ambos objetivos: reducir la coherencia de las vibraciones de la red y aumentar la movilidad de los portadores de carga. La clave: una mezcla de dos materiales con propiedades mecánicas fundamentalmente distintas pero electrónicas similares.
Fabián Garmroudi
© David Visnjic
Nuevas propiedades gracias a una nueva combinación de materiales
Los buenos materiales termoeléctricos son los que, por un lado, conducen bien la electricidad y, por otro, transportan el calor lo menos posible, una aparente contradicción, ya que los buenos conductores eléctricos suelen ser también buenos conductores del calor.
"En la materia sólida, el calor se transfiere tanto por portadores de carga conductores de la electricidad como por vibraciones de los átomos en la red cristalina. En los materiales termoeléctricos, se intenta sobre todo suprimir el transporte de calor a través de las vibraciones de la red, ya que no contribuyen a la conversión de energía", explica el primer autor, Fabian Garmroudi, que terminó su doctorado en la Universidad Técnica de Viena y ahora trabaja como becario posdoctoral del Director en el Laboratorio Nacional de Los Álamos (EE.UU.). En las últimas décadas, la investigación de materiales ha desarrollado métodos sofisticados para diseñar materiales termoeléctricos con una conductividad térmica extremadamente baja.
"Con el apoyo del Premio Lions, pude desarrollar nuevos materiales híbridos en el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón que presentan propiedades termoeléctricas excepcionales", recuerda Garmroudi de su estancia de investigación en Tsukuba (Japón), que completó como parte de su trabajo en TU Wien. En concreto, se mezcló polvo de una aleación de hierro, vanadio, tántalo y aluminio (Fe2V0,95Ta0,1Al0,95) con polvo de bismuto y antimonio (Bi0,9Sb0,1) y se prensó hasta obtener un material compacto a alta presión y temperatura. Sin embargo, debido a sus diferentes propiedades químicas y mecánicas, los dos componentes no se mezclan a nivel atómico. En su lugar, el material BiSb se deposita preferentemente en las interfaces de tamaño micrométrico entre los cristales de la aleación FeVTaAl.
El calor y el transporte de cargas están desacoplados
Las estructuras reticulares de los dos materiales, y por tanto también sus vibraciones reticulares permitidas desde el punto de vista de la mecánica cuántica, son tan diferentes que las vibraciones térmicas no pueden transferirse simplemente de un cristal al otro. Por lo tanto, la transferencia de calor está fuertemente inhibida en las interfaces. Al mismo tiempo, el movimiento de los portadores de carga no se ve obstaculizado debido a la estructura electrónica similar e incluso se acelera significativamente a lo largo de las interfaces. La razón: el material BiSb forma allí una fase denominada aislante topológica, una clase especial de materiales cuánticos que son aislantes en el interior pero permiten un transporte de carga casi sin pérdidas en la superficie.
Este desacoplamiento selectivo del transporte de calor y de carga permitió al equipo aumentar la eficiencia del material en más de un 100 %. "Esto nos acerca mucho a nuestro objetivo de desarrollar un material termoeléctrico que pueda competir con los compuestos comerciales basados en telururo de bismuto", afirma Garmroudi. Este último se desarrolló en la década de 1950 y aún hoy se considera el patrón oro de los termoeléctricos. La gran ventaja de los nuevos materiales híbridos es que son mucho más estables y baratos.
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Publicación original
Fabian Garmroudi, Illia Serhiienko, Michael Parzer, Sanyukta Ghosh, Pawel Ziolkowski, Gregor Oppitz, Hieu Duy Nguyen, Cédric Bourgès, Yuya Hattori, Alexander Riss, Sebastian Steyrer, Gerda Rogl, Peter Rogl, Erhard Schafler, Naoyuki Kawamoto, Eckhard Müller, Ernst Bauer, Johannes de Boor, Takao Mori; "Decoupled charge and heat transport in Fe2VAl composite thermoelectrics with topological-insulating grain boundary networks"; Nature Communications, Volume 16, 2025-3-26
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