Todos los días perdemos energía valiosa en forma de calor residual, en dispositivos técnicos en el hogar, pero también en grandes sistemas de energía. Parte de ella podría recuperarse con la ayuda del "efecto termoeléctrico". El flujo de calor de unEl dispositivo caliente al ambiente frío puede convertirse directamente en energía eléctrica. Sin embargo, para lograrlo, se requieren materiales con propiedades muy especiales. Deben ser buenos conductores eléctricos, pero malos conductores térmicos, dos requisitos que son difíciles de conciliar.
Los investigadores de todo el mundo están buscando dichos materiales. Ciertos materiales con una estructura similar a una jaula han resultado particularmente prometedores, por ejemplo, clatratos, que se estudian en TU Wien. Ahora, después de investigaciones elaboradas, se ha demostrado un efecto notable,que puede explicar la conductividad térmica particularmente baja de estos materiales.
Celdas de prisión para átomos
"Los clatratos son cristales con una estructura muy especial", explica la profesora Silke Bühler-Paschen del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad Tecnológica de Viena. "Su red cristalina contiene pequeñas jaulas en las que los átomos individuales están encerrados. Estos átomospuede oscilar de un lado a otro en su celda única, sin ver gran parte del resto del cristal ".
El calor en un sólido está presente en forma de vibraciones de sus átomos. Cuando un cristal se calienta, las vibraciones se hacen más fuertes hasta que, en algún momento, los enlaces entre los átomos se rompen y el cristal se derrite. "Hay dos tiposde vibraciones ", dice Silke Bühler-Paschen." Si los átomos vecinos están fuertemente unidos, entonces la vibración de un átomo puede transferirse directamente a sus vecinos y una onda de calor se propaga a través del material. Cuanto más fuerte sea el acoplamiento entre los átomos,más rápida es la propagación de la onda y mayor es la conducción del calor. Sin embargo, si un átomo está muy débilmente unido a sus vecinos, al igual que el átomo que se encuentra en la jaula del clatrato, entonces es en gran medida independiente de los demás y la onda de calor esextremadamente lento "
Nuevo efecto: la dispersión fonética tipo Kondo
Como parte de su disertación con Silke Bühler-Paschen, Matthias Ikeda descubrió que debido a una cierta interacción entre estos dos tipos de ondas de calor, los clatratos son tan buenos aislantes térmicos. Matthias Ikeda realizó mediciones precisas y extensas.los cristales, cada uno con propiedades ligeramente diferentes, se produjeron en TU Wien y se midieron cuidadosamente. "Al final, pudimos demostrar lo que nadie quería creernos al principio: hay un efecto físico hasta ahora desconocido que suprime la conductividad térmica.- lo llamamos dispersión de fonones tipo Kondo ", dice Matthias Ikeda.
Debido a la estructura cristalina, un átomo en la jaula de clatrato vibra preferentemente en dos direcciones específicas ". Cuando llega una ola de calor, puede, por un corto tiempo, entrar en una especie de estado unido con tal vibración.la ola de calor cambia la dirección de oscilación del átomo en la jaula de clatrato ", dice Silke Bühler-Paschen." Este proceso ralentiza la onda de calor, por lo que disminuye la conductividad del calor. Aunque los clatratos conducen la electricidad, son buenos aislantes térmicos."
Mejor material para termoeléctrica
Esta es exactamente la combinación de propiedades del material que se requiere para usar el efecto termoeléctrico a escala industrial. Algo caliente está conectado a algo frío usando el material correcto, y el flujo de energía en el medio puede convertirse directamente en electricidad.Por un lado, el material debe conducir corriente eléctrica, pero por un lado, no debe equilibrar las temperaturas conduciendo el calor demasiado rápido, de lo contrario, el efecto ya no se puede usar.
"El proyecto llevó mucho tiempo, además de numerosos experimentos, se tuvieron que desarrollar simulaciones informáticas extensas para comprender los procesos físicos cuánticos detrás de este efecto", dice Silke Bühler-Paschen. "Pero valió la pena:Con nuestro concepto de dispersión de fonones tipo Kondo, ahora es mucho más fácil comprender el comportamiento de los clatratos y, por lo tanto, podemos trabajar con mayor determinación para encontrar los materiales más eficientes para aplicaciones termoeléctricas ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Tecnológica de Viena . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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