Los motores, las computadoras portátiles y las centrales eléctricas generan calor residual. Los materiales termoeléctricos, que convierten los gradientes de temperatura en electricidad y viceversa, pueden recuperar parte de ese calor y mejorar la eficiencia energética. Un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía exploróLa física fundamental del mejor material termoeléctrico del mundo, el seleniuro de estaño, mediante dispersión de neutrones y simulaciones por computadora. Su nueva comprensión del origen de la dinámica atómica en este material, publicado en Física de la naturaleza , puede ayudar a la investigación en sostenibilidad energética y permitir el diseño de materiales que conviertan eficientemente el calor en electricidad.
"Realizamos las primeras mediciones integrales de vibraciones atómicas en este importante material termoeléctrico nuevo", dijo el autor principal Olivier Delaire en la División de Ciencia y Tecnología de Materiales de ORNL. "Descubrimos el origen de su muy baja conductividad térmica, lo que conduce a su altaeficiencia ". Resulta que las vibraciones atómicas inusuales ayudan a prevenir las" fugas de calor ", maximizando la conversión en electricidad.
La Oficina de Ciencia del DOE, que avanza con materiales para tecnologías energéticas, patrocinó el estudio, que fue dirigido por un Centro de Investigación de la Frontera Energética liderado por el MIT. Los investigadores utilizaron tres Instalaciones de Usuario de la Oficina de Ciencia del DOE en ORNL: la fuente de neutrones de la spalación,Reactor de isótopos de alto flujo e instalación de computación de liderazgo de Oak Ridge.
A través del efecto Seebeck, los dispositivos termoeléctricos producen un voltaje y generan corriente eléctrica cuando se mantiene un diferencial de temperatura. O, cuando se alimentan con una fuente de electricidad externa, los dispositivos pueden bombear activamente el calor para aplicaciones de refrigeración.
Para preservar un gradiente de temperatura utilizable, los materiales termoeléctricos deben ser buenos conductores de electricidad pero malos conductores de calor. En 2014, investigadores de la Universidad de Northwestern descubrieron que el seleniuro de estaño, que es económico, podría ser el material termoeléctrico más eficiente del mundo.
Los investigadores de ORNL observaron vibraciones atómicas que sustentan el flujo de calor, llamados fonones, y trataron de comprender sus orígenes en términos de estructura electrónica y química.
"Lo que encontramos es que este modo de fonón particular es el que es inestable, que se 'congela'", dijo Delaire. "Si enfría el material, pasa de no distorsionado a distorsionado, y cuando lo calienta la distorsióndesaparece. Ese es el mecanismo atómico detrás de la congelación de este modo de fonón particular ".
El conocimiento adquirido por el equipo puede ayudar a los esfuerzos para controlar el transporte térmico en una amplia gama de tecnologías relacionadas con la energía, incluidos los recubrimientos de barrera térmica, los combustibles nucleares y la electrónica de alta potencia.
La clave para la alta eficiencia del seleniuro de estaño se reveló a través de la exploración de la dinámica de los átomos en la red cristalina. En un sistema armónico, las ondas de vibraciones atómicas pueden propagarse libremente. Muchas ondas, que transportan mucho calor, pueden viajar a través del material sinEn cambio, en un sistema anarmónico, las ondas de vibración atómica sienten una fricción viscosa entre sí. La fricción crea una especie de granizado que impide la propagación del calor, al igual que los amortiguadores de vibraciones en los amortiguadores de un vehículo.las temperaturas probadas eran fuertemente anarmónicas: las ondas fonónicas estaban muy amortiguadas y el calor estaba bien contenido, por lo que el gradiente de temperatura podía preservarse.
El coautor principal, Jiawang Hong, becario postdoctoral que trabaja con Delaire, realizó simulaciones de dinámica cuántica en el OLCF utilizando Eos, una supercomputadora Cray XC30. Las simulaciones de dispersiones de fonones, cuando se conectan al software desarrollado por el equipo, mostraron un buen acuerdo conlas mediciones de dispersión de neutrones tomadas en el SNS y HFIR por el coautor principal Chen Li, también becario postdoctoral en el equipo de Delaire. Los otros autores del artículo fueron Andrew May y Dipanshu Bansal de la División de Ciencia y Tecnología de Materiales de ORNL y Songxue Chi, Tao Hong yGeorg Ehlers de la División de Materia Condensada Cuántica de ORNL.
"Con simulaciones mostramos que la fuerte anarmonía subyacente se deriva de una inestabilidad de unión", dijo Delaire. Debajo de una transición de fase de 810 kelvin aproximadamente 540 grados C o 1000 grados F, los orbitales electrónicos se reorganizan espontáneamente y la red asume una estructura de acordeónLos fonones sienten esta inestabilidad, que amortigua las oscilaciones, lo que hace que el seleniuro de estaño sea un material termoeléctrico excepcional.
Una comprensión más completa de los principios fundamentales que sustentan las propiedades útiles podría permitir "materiales por diseño". "De toda la energía que se destina a la economía de los Estados Unidos cada año, el 60 por ciento se pierde en forma de calor residual", dijo Delaire."Si puede recuperar incluso una pequeña fracción, puede tener un gran impacto".
Mejora de la sostenibilidad energética
Los materiales termoeléctricos pueden apoyar la energía sostenible. El EFRC liderado por el MIT, con los laboratorios nacionales Oak Ridge y Brookhaven, Boston College y la Universidad de Houston, ha demostrado que los materiales termoeléctricos pueden colocarse debajo de paneles solares, donde una diferencia de temperatura puede generar electricidada bajo precio.
Los paneles fotovoltaicos pueden ser caros, y se necesitan muchos para generar cantidades útiles de electricidad. "Con los materiales termoeléctricos, una vez que se tiene el diferencial de temperatura, solo se necesita una cantidad relativamente pequeña de material para producir la electricidad", dijo Delaire ".En los dispositivos termoeléctricos, la conversión de energía es realmente un enlace directo porque el material hace todo el trabajo. No hay partes móviles. Genera el voltaje a partir de un gradiente de temperatura. Por lo tanto, comprender y optimizar los materiales es clave ".
Los materiales termoeléctricos aún necesitan alcanzar mayores eficiencias para una aplicación generalizada, pero los descubrimientos recientes, como la comprensión de la dinámica del seleniuro de estaño, han logrado grandes pasos en esa dirección. Ya han sido grandes éxitos en nichos, incluidas las baterías espaciales de muy larga duración desarrolladas por la NASAy DOE.
"Esta tecnología es muy confiable", dijo Delaire. "Es por eso que los materiales termoeléctricos aún alimentan la nave espacial Voyager de la NASA 30 años después de su lanzamiento".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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