Los investigadores descubren un nuevo material inorgánico con la menor conductividad térmica jamás registrada
Avance en el control del flujo de calor a escala atómica
Un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Liverpool ha descubierto un nuevo material inorgánico con la menor conductividad térmica jamás registrada. Este descubrimiento allana el camino para el desarrollo de nuevos materiales termoeléctricos que serán fundamentales para una sociedad sostenible.
Utilizando la química adecuada, es posible combinar dos disposiciones atómicas diferentes (losas amarilla y azul) que proporcionan mecanismos para ralentizar el movimiento del calor a través de un sólido. Esta estrategia proporciona la menor conductividad térmica registrada en un material inorgánico.
University of Liverpool
Publicado en la revista Science, este descubrimiento representa un gran avance en el control del flujo de calor a escala atómica, logrado mediante el diseño de materiales. Ofrece nuevos conocimientos fundamentales sobre la gestión de la energía. La nueva comprensión acelerará el desarrollo de nuevos materiales para convertir el calor residual en energía y para el uso eficiente de los combustibles.
El equipo de investigación, dirigido por el profesor Matt Rosseinsky, del Departamento de Química y la Fábrica de Innovación de Materiales de la Universidad, y el Dr. Jon Alaria, del Departamento de Física y el Instituto Stephenson de Energías Renovables de la Universidad, diseñó y sintetizó el nuevo material de manera que combinara dos disposiciones diferentes de átomos que, según se ha descubierto, reducen la velocidad a la que el calor se desplaza por la estructura de un sólido.
Identificaron los mecanismos responsables de la reducción del transporte de calor en cada una de estas dos disposiciones midiendo y modelizando las conductividades térmicas de dos estructuras diferentes, cada una de las cuales contenía una de las disposiciones requeridas.
Combinar estos mecanismos en un solo material es difícil, porque los investigadores tienen que controlar exactamente la disposición de los átomos en él. Intuitivamente, los científicos esperarían obtener una media de las propiedades físicas de los dos componentes. Al elegir interfaces químicas favorables entre cada una de estas disposiciones atómicas diferentes, el equipo sintetizó experimentalmente un material que combina ambas (representadas como las placas amarilla y azul en la imagen).
Este nuevo material, con dos disposiciones combinadas, tiene una conductividad térmica mucho menor que cualquiera de los materiales madre con una sola disposición. Este resultado inesperado muestra el efecto sinérgico del control químico de las localizaciones atómicas en la estructura, y es la razón por la que las propiedades de la estructura completa son superiores a las de las dos partes individuales.
Si tomamos la conductividad térmica del acero como 1, entonces una barra de titanio es 0,1, el agua y un ladrillo de construcción es 0,01, el nuevo material es 0,001 y el aire es 0,0005.
Aproximadamente el 70% de toda la energía generada en el mundo se desperdicia en forma de calor. Los materiales de baja conductividad térmica son esenciales para reducir y aprovechar este desperdicio. El desarrollo de materiales termoeléctricos nuevos y más eficaces, capaces de convertir el calor en electricidad, se considera una fuente clave de energía limpia.
El profesor Matt Rosseinsky dijo: "El material que hemos descubierto tiene la conductividad térmica más baja de cualquier sólido inorgánico y es casi tan mal conductor del calor como el propio aire".
"Las implicaciones de este descubrimiento son importantes, tanto para la comprensión científica fundamental como para las aplicaciones prácticas en dispositivos termoeléctricos que recogen el calor residual y como revestimientos de barrera térmica para turbinas de gas más eficientes".
El Dr. Jon Alaria dijo: "El emocionante hallazgo de este estudio es que es posible mejorar la propiedad de un material utilizando conceptos de física complementaria y una interfaz atomística adecuada. Más allá del transporte de calor, esta estrategia podría aplicarse a otras importantes propiedades físicas fundamentales, como el magnetismo y la superconductividad, lo que conduciría a una menor computación energética y a un transporte más eficiente de la electricidad."
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