Imagínese unas botas que aprovechan el calor de sus pies para cargar el teléfono móvil, o que la elevada temperatura del tubo de escape de su coche se transforma en la electricidad necesaria para otorgarle una potencia extra a su vehículo. Pues estas aplicaciones existen y son posibles gracias a los materiales termoeléctricos, que generan electricidad a partir de cambios de temperatura, de tal modo que convierten el calor residual en energía. Todos tienen una conductividad eléctrica alta, pero, por contra, ofrecen resistencia a la térmica. Son una de las grandes apuestas de la industria, por sus múltiples aplicaciones aún no del todo exploradas, y uno de los objetivos prioritarios de financiación del programa europeo Horizonte 2020.
Pero estos materiales tienen un problema que limita su potencial: o son muy escasos, y por tanto caros, o contienen sustancias tóxicas. Este contratiempo podría ser superado ahora gracias a una investigación liderada por el Centro de Investigación en Química Biológica y Materiales Moleculares (CIQUS) de la Universidade de Santiago, en colaboración con el MIT y la Universidad de Madison, que acaba de ser publicada en Advanced Materials.
Los científicos han determinado el mecanismo físico-químico que permite a estos sistemas disponer de la asombrosa propiedad de transmitir mal el calor. Lo han observado en el Telururo de bismuto (Bi2Te3), el semiconductor más utilizado en la industria termoeléctrica y el que mejores cualidades presenta, pero más importante aún es el hecho de que este mismo proceso se puede aplicar también a otros nuevos materiales, más baratos y abundantes. Es el caso del Nitruro de Cromo, CrN que ha sintetizado el equipo gallego y que se hizo crecer a escala nanométrica en la Universidad de Madison. Su conductividad eléctrica se caracterizó luego en la Universidade de Santiago y la térmica en el MIT.
«Estos mesmos mecanismos pódense aplicar ao nitruro, pero tamén a outros materiais de transición, como manganeso, níquel, cromo ou ferro. Ábrese un abanico tremendo para deseñar materiais con propiedades termoeléctricas», dice Francisco Rivadulla, el coordinador del estudio.
Elementos abundantes
En el caso del Nitruro de cromo (CrN) no existiría mayor problema para su producción a gran escala, ya que tanto el nitrógeno como el cromo son elementos relativamente abundantes en la corteza terrestre y su fabricación a nivel industrial no es muy compleja. «Este feito, xunto coas súas extraordinarias propiedades mecánicas, como a súa dureza ou resistencia a corrosión, e a súa estabilidade química fan que o CrN sexa un serio candidato para dar relevo os clásicos materiais termoeléctricos», apunta Camilo Xabier G. Quintela, el primer autor del artículo y responsable de la fabricación y caracterización del compuesto. «Considerando todas as súas propiedades -añade-, podería utilizarse para xerar electricidade de forma eficiente a partires dunha fonte de calor residual, como a que se desprende dun tubo de escape».
Conduce la electricidad, pero no el calor. El nuevo material diseñado en la Universidade de Santiago también presenta asombrosas propiedades mecánicas, como su gran dureza y su resistencia a la corrosión.
Numerosas aplicaciones para la industria
En el caso particular del Telururo de bismuto (Bi2Te3), los investigadores encontraron que su capacidad para reducir la transmisión de calor se debía a una inestabilidad fundamental en el enlace químico. No hay suficientes electrones como para formar seis enlaces a su alrededor, por lo que su estructura se distorsiona. «Hemos propuesto una visión alternativa a ese fenómeno y hemos demostrado que esa distorsión se puede controlar y, por lo tanto, trasladar a otros sistemas, como los nitruros y los óxidos de metales de transición», señala Francisco Rivadulla.
El nitruro de cromo sintetizado y desarrollado por el equipo de Santiago, al igual que otros materiales termoeléctricos que ya están en el mercado, como el Telururo, podría utilizarse para el desarrollo de células fotovoltaicas híbridas, que permiten generar simultáneamente energía térmica o eléctrica, para aprovechar el calor desechado de las centrales nucleares o para enfriar los productos obtenidos en altos hornos, entre otras aplicaciones.
No hay comentarios:
Publicar un comentario