Si hay algo en lo que los humanos somos buenos es en generar calor. Una cantidad significativa, y en muchos casos la mayor parte, de la energía que producimos y ponemos en nuestros sistemas se pierde en forma de calor, ya sean nuestros electrodomésticos, nuestro transporte, nuestras fábricas e incluso nuestra red eléctrica.
“El calor residual está en todas partes”, afirmó Bolin Liao, profesor de ingeniería mecánica de la Universidad de California en Santa Bárbara, especializado en ciencias térmicas y energía renovable. “Nuestras centrales eléctricas, los tubos de escape de nuestros automóviles… hay muchos lugares donde generamos un exceso de desperdicio de calor”.
Por el momento, estamos bastante limitados en cómo podemos aprovechar al máximo este calor disipado. Pero Liao y sus colegas de la UCSB, junto con colegas de la Universidad Estatal de Ohio y la Universidad de Hong Kong, están logrando avances en el aprovechamiento de ese calor; las propiedades termoeléctricas de las películas delgadas de arseniuro de cadmio de alta calidad son una característica integral por primera vez.
“Si podemos reducir ese calor residual, sería fantástico”, afirmó. “Realmente aumentará nuestra eficiencia energética y también es una fuente de energía realmente sostenible”.
La investigación del equipo se publica en la revista. Contenido avanzado.
Un material termoeléctrico mejorado
“Para lograr una alta eficiencia, necesitamos materiales que conduzcan bien la electricidad, conduzcan mal el calor y generen altos voltajes para las diferencias de temperatura”, dijo Liao. Una mala conducción del calor reduce la disipación de calor al mantener una diferencia de temperatura en todo el material, lo que a su vez aumenta la corriente eléctrica debido a la alta conductividad eléctrica del material. El voltaje resultante del gradiente de temperatura se llama efecto Seebeck.
Esta combinación de propiedades de transporte eléctrico y térmico es ideal pero, según Liao, “muy difícil de lograr en la práctica”.
Introduzca arseniuro de cadmio (Cd3Como2), un semimetal de Dirac con propiedades de transporte prometedoras, en particular, baja conductividad térmica y alta movilidad de electrones.
“Estábamos muy entusiasmados con este material y pensamos: ‘Está bien, esto es realmente una combinación de estas dos grandes propiedades'”, dijo Liao. “Pero hay un problema.
“El problema era que, además de una buena conductividad eléctrica y una mala conductividad térmica, también se necesita que el material pueda generar suficiente voltaje bajo un gradiente de temperatura”. Como semimetal, el arseniuro de cadmio es excelente para conducir la electricidad muy rápidamente, pero sólo produce un contravoltaje muy pequeño. Para crear un voltaje útil, explicó Liao, sería necesario abrir una banda prohibida.
“Lo que se desea es que el material tenga un cierto rango de energía en el que los electrones no puedan moverse. Se llama banda prohibida”, dijo. Debido a esta brecha, que esencialmente impide el libre flujo de electrones, se puede acumular una “presión” eléctrica considerable (también conocida como voltaje) en todo el material en respuesta a las diferencias de temperatura. En los cristales de arseniuro de cadmio a granel, no hay banda prohibida.
Afortunadamente, el equipo tenía una ventaja en la forma de la destreza en películas delgadas de la científica de materiales de la UCSB Susan Steamer. Con experiencia en epitaxia de haces moleculares (MBE), el laboratorio de Stemmer es capaz de “cultivar” materiales de alta calidad, molécula por molécula, con espesores que van desde unos pocos nanómetros hasta varios micrómetros. Resulta que esto es particularmente útil en el caso del arseniuro de cadmio, porque la superficie del material tiene propiedades que son diferentes de la mayor parte del cristal.
“Una característica de estos aislantes topológicos es que, además de los estados conductores de electrones dentro del material a granel, tienen canales conductores superficiales”, explicó Liao. “Hay electrones que viven en la superficie del material y pueden conducir electricidad”.
Para cuantificar estos efectos topológicos, el laboratorio Steamer produjo tres películas de alta calidad cultivadas con MBE de diferentes espesores: 950 nm, 95 nm y 25 nm. “La alta movilidad de las películas epitaxiales de arseniuro de cadmio permite revelar su naturaleza topológica mediante mediciones de transporte cuántico”, explicó Stemmer.
El equipo descubrió que cuanto más delgado era el material, más evidencia había de una banda prohibida. Y cuanto más fino sea el material, mayores serán los efectos superficiales.
“Básicamente, si vas a dimensiones muy bajas, la mecánica cuántica comienza a desempeñar un papel, y de hecho puedes abrir una banda prohibida simplemente reduciendo el tamaño”, dijo Liao, sobre el confinamiento cuántico. También descubrieron que cuanto más delgado es el material, mayor es la susceptibilidad termoeléctrica (conocida como coeficiente de Seebeck), lo que resulta en un voltaje más alto en respuesta a un gradiente de temperatura, que en el material de última generación aumenta siete veces. en comparación con .
Estos efectos cuánticos se encontraron a temperaturas cercanas a cero, por lo que aunque actualmente el Cd3Como2 Si bien las películas delgadas no se pueden usar para rendimiento a temperatura ambiente o alta temperatura, pueden volverse más útiles inmediatamente en entornos criogénicos, dijo Liao, en muchas aplicaciones, como la aeroespacial, la medicina y están presentes en la computación cuántica. “Si se utilizan materiales de estado sólido altamente eficientes para la refrigeración, no se necesitan refrigerantes peligrosos y contaminantes”, afirmó.
“En la práctica, este es un descubrimiento muy útil para el enfriamiento criogénico de estado sólido a baja temperatura”, agregó, “pero fundamentalmente este trabajo es más importante porque estamos demostrando por primera vez que este efecto de confinamiento cuántico puede mejorar algunos propiedades termoeléctricas, y por primera vez aislamos la contribución de los estados superficiales”.
