Resolviendo el dilema del'trade-off' termoeléctrico con nanotubos de carbono metálicos
Científicos de la Universidad Metropolitana de Tokio han utilizado Nanotubos de carbono "metálicos" alineados para crear un dispositivo que convierte el calor en energía eléctrica (un dispositivo termoeléctrico) con una mayor potencia de salida que los nanotubos de carbono semiconductores puros (CNT) en redes aleatorias. El nuevo dispositivo evita la molesta compensación en semiconductores entre la conductividad y el voltaje eléctrico, superando significativamente a su contraparte. Los dispositivos termoeléctricos de alta potencia pueden allanar el camino para un uso más eficiente del calor residual, como los dispositivos electrónicos portátiles.
Esta es una ilustración de nanotubos de carbono metálico alineados en el dispositivo termoeléctrico del equipo. Un gradiente de temperatura hace que fluya una corriente eléctrica.
Tokyo Metropolitan University
Los dispositivos termoeléctricos pueden convertir directamente el calor en electricidad. Cuando pensamos en la cantidad de calor desperdiciado en nuestro entorno, como en los escapes del aire acondicionado, los motores de los vehículos o incluso el calor corporal, sería revolucionario si pudiéramos recuperar de alguna manera esta energía de nuestro entorno y hacer un buen uso de ella. Esto contribuye de alguna manera a alimentar el pensamiento detrás de la electrónica y la fotónica vestible, dispositivos que podrían ser usados en la piel y alimentados por el calor del cuerpo. Las aplicaciones limitadas ya están disponibles en forma de luces accionadas por calor corporal y relojes inteligentes.
La potencia extraída de un dispositivo termoeléctrico cuando se forma un gradiente de temperatura se ve afectada por la conductividad del dispositivo y el coeficiente Seebeck, un número que indica cuánta tensión eléctrica se genera con una cierta diferencia de temperatura. El problema es que existe un equilibrio entre el coeficiente de Seebeck y la conductividad: el coeficiente de Seebeck disminuye cuando el dispositivo se vuelve más conductivo. Para generar más energía, lo ideal es mejorar ambas cosas.
Los materiales semiconductores se consideran generalmente candidatos superiores para los dispositivos termoeléctricos de alto rendimiento. Sin embargo, un equipo dirigido por el Prof. Kazuhiro Yanagi de la Universidad Metropolitana de Tokio se encontró con un héroe poco probable en forma de CNTs"metálicos". A diferencia de los CNT puramente semiconductores, descubrieron que podían mejorar simultáneamente la conductividad y el coeficiente Seebeck de los CNT metálicos, rompiendo el compromiso entre estas dos cantidades clave. El equipo continuó demostrando que estas características únicas surgieron de la estructura electrónica metálica unidimensional del material. Además, fueron capaces de alinear la orientación de los CNTs metálicos, logrando una salida casi cinco veces mayor que la de las películas de CNTs semiconductores puros orientados al azar.
Los elementos termoeléctricos de alto rendimiento no sólo nos permitirán utilizar el calor corporal para alimentar nuestros smartphones, sino que las posibles aplicaciones biomédicas garantizarán que desempeñen un papel importante en las aplicaciones cotidianas en el futuro.
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