Electricidad a partir del calor mediante un "atasco de electrones"
Un nuevo truco mejora notablemente el rendimiento de los termoeléctricos
La electricidad puede convertirse fácilmente en calor: todas las cocinas eléctricas lo hacen. Pero, ¿es también posible lo contrario? ¿Puede convertirse el calor en electricidad, directamente, sin turbinas de vapor ni desvíos similares? El físico Thomas Seebeck respondió a esta pregunta con un claro "sí" hace más de 200 años. Fue capaz de demostrar que ciertos materiales, conocidos como "termoeléctricos", generan electricidad cuando se calientan por un lado y se enfrían por el otro. Una diferencia de temperatura crea energía eléctrica, sin necesidad de generadores mecánicos. Es lo que hoy se conoce como "efecto Seebeck".
En una red kagome, los portadores de carga se inmovilizan debido a efectos mecánicos cuánticos, lo que fue aprovechado por el equipo de Andrej Pustogow en la Universidad Técnica de Viena para optimizar el rendimiento termoeléctrico.
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Estos generadores termoeléctricos son muy prácticos cuando se necesitan pequeñas cantidades de energía eléctrica. Se utilizan, por ejemplo, en misiones espaciales. Sin embargo, por desgracia, los materiales termoeléctricos conocidos hasta la fecha no son lo suficientemente eficientes como para sustituir a las centrales eléctricas convencionales a gran escala. Por ello, el grupo de trabajo dirigido por el profesor Andrej Pustogow en el Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad Técnica de Viena está investigando nuevos materiales con propiedades termoeléctricas mejoradas. Ahora, utilizando un nuevo truco, han conseguido mejorar significativamente el rendimiento de los termoeléctricos.
Más calor, más movilidad
"A pesar de un siglo de intensa investigación sobre materiales semiconductores, desde el descubrimiento de los compuestos de telururo de bismuto en la década de 1950 no se han producido avances significativos que hubieran permitido generalizar el uso cotidiano de esta tecnología", explica Andrej Pustogow. "Ahora hemos dado un gran paso adelante, con materiales metálicos que hasta ahora no habían sido objeto de atención en este campo".
El efecto Seebeck se basa en que la movilidad de los portadores de carga positivos y negativos depende del material, por un lado, pero también de la temperatura, por otro. "Supongamos que tenemos un semiconductor en el que sólo pueden moverse cargas eléctricas negativas", explica Andrej Pustogow. "Al principio, se distribuyen uniformemente por todo el material, que es eléctricamente neutro en todas partes. Sin embargo, si se calienta un lado y se enfría el otro, los portadores de carga negativa se mueven más rápido y más lejos en el lado caliente, por lo que habrá menos carga negativa allí que en el lado frío." Esto crea una diferencia de tensión de la que se puede obtener energía eléctrica.
En la mayoría de los materiales metálicos, tanto los portadores de carga positivos como los negativos pueden moverse. Esto significa que ambos tipos de portadores de carga móviles tienden a encontrarse más en el lado frío que en el caliente. "Los más y los menos se equilibran entre sí, por lo que no se genera tensión de esta forma", explica Andrej Pustogow. "Por eso los materiales metálicos apenas se tenían en cuenta en relación con el efecto termoeléctrico. Se pensaba que no eran adecuados para este fin. Sin embargo, ahora hemos podido demostrar que, efectivamente, los metales pueden ser excelentes termoeléctricos."
Velocidades diferentes - atasco de portadores de carga
El truco crucial consiste en conseguir que los portadores de carga positivos y negativos se muevan a velocidades diferentes. "Se puede imaginar el movimiento de las cargas como si estuvieran en una autopista", explica Pustogow. Las cargas positivas circulan por el carril izquierdo y las negativas por el derecho. Al crear un atasco en el carril izquierdo, las cargas positivas se quedan atascadas, mientras que las negativas fluyen sin obstáculos por el carril derecho". De este modo, se pueden obtener excelentes termoeléctricos, aunque tengan portadores de carga positivos y negativos.
El "atasco" se crea incorporando al material portadores de carga inmóviles adicionales. El equipo pudo demostrar que esto funciona con ciertas aleaciones de níquel y oro, abre una URL externa en una ventana nueva ya en 2023. "Ahora hemos encontrado una alternativa significativamente más barata sin oro en un compuesto de níquel e indio", afirma Fabian Garmroudi, primer autor del estudio.
Una geometría que recuerda a la cestería japonesa
En su búsqueda de alternativas nuevas y, sobre todo, más baratas, los investigadores dieron con los llamados metales kagome. El término "kagome" procede originalmente del japonés y se refiere a las cestas de bambú tejidas con un patrón especial de hexágonos y triángulos que se tocan en sus bordes.
"Sorprendentemente, hay materiales en la naturaleza en los que los átomos se disponen siguiendo exactamente este patrón. Lo llamamos 'frustración geométrica'. Por ejemplo, resulta que las cargas pueden llegar a ser extremadamente inmóviles y quedan atrapadas dentro de la estrella Kagome", explica Garmroudi.
Perspectivas doradas, incluso sin oro
Los investigadores han podido demostrar que esta geometría Kagome puede provocar un efecto Seebeck extremadamente grande, considerablemente mayor que en las aleaciones de níquel y oro utilizadas hasta ahora. Mientras que las cargas negativas fluyen sin impedimentos en un metal Kagome, la acumulación de cargas positivas a temperatura ambiente permite una eficiencia muy elevada: los nuevos termoeléctricos pueden incluso superar a los termoeléctricos de telururo de bismuto disponibles en el mercado. "Con estos metales Kagome, hemos encontrado oro, y ahora estamos mejorando sistemáticamente sus propiedades termoeléctricas con nuestra experiencia en el ajuste de la frustración geométrica", dice Pustogow, cuyo equipo en TU Wien ha estado estudiando materiales frustrados durante años, abre una URL externa en una ventana nueva.
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Publicación original
Fabian Garmroudi, Jennifer Coulter, Illia Serhiienko, Simone Di Cataldo, Michael Parzer, Alexander Riss, Matthias Grasser, Simon Stockinger, Sergii Khmelevskyi, Kacper Pryga, Bartlomiej Wiendlocha, Karsten Held, Takao Mori, Ernst Bauer, Antoine Georges, Andrej Pustogow; "Topological Flat-Band-Driven Metallic Thermoelectricity"; Physical Review X, Volume 15, 2025-5-14
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