Los mismos investigadores que fueron pioneros en el uso de un efecto mecánico cuántico para convertir calor en electricidad han averiguado cómo hacer su técnica de trabajo en una forma más conveniente para la industria.
Análisis de imagen de microscopio electrónico de transmisión de un material compuesto de níquel platino creado en la Universidad Estatal de Ohio. A la izquierda, la imagen se superpone con los mapas de colores falsos de elementos en el material, incluyendo el platino (rojo), níquel (verde) y oxígeno (azul). Crédito: Imagen por Isabel Boona, OSU centro de microscopía electrónica y análisis; Imagen de la izquierda elaborada por Renee Ripley. Cortesía de la Universidad Estatal de Ohio.
En Nature Communications, los ingenieros de la Ohio State University describen cómo utilizaron magnetismo en un compuesto de níquel y platino para amplificar el voltaje de salida 10 veces o más, - no en una película delgada, como lo habían hecho anteriormente, pero en una pieza más gruesa del material que se parece más a componentes para futuros dispositivos electrónicos.
Muchos dispositivos eléctricos y mecánicos, tales como motores, producen calor como subproducto de su operación normal. Se llama "calor residual", y su existencia es requerida por las leyes fundamentales de la termodinámica, según ha explicado el coautor del estudio Stephen Boona.
Pero un creciente campo de investigación llamado termoeléctricos de estado sólido pretende capturar ese desperdicio de calor dentro de materiales especialmente diseñados para generar energía y aumentar la eficiencia energética global.
"Más de la mitad de la energía que utilizamos se pierde y entra en el ambiente como calor," dijo Boona, investigador postdoctoral en la Universidad Estatal de Ohio. "Los termoeléctricos estado sólido nos pueden ayudar a recuperar parte de esa energía. Estos dispositivos no tienen partes móviles, no se desgastan, son robustos y no requieren mantenimiento. Desafortunadamente, hasta la fecha, también son demasiado caros y no muy lo suficientemente eficiente para justificar la generalización. Estamos trabajando para cambiar eso."
En 2012, el mismo grupo de investigación del estado de Ohio, liderado por Joseph Heremans, demostró que los campos magnéticos podrían impulsar un efecto mecánico cuántico llamado el efecto Seebeck de la vuelta y a su vez aumentar la tensión de salida de películas delgadas de exóticos materiales nanoestructurados de pocos microvoltios a unos pocos milivoltios.
En este último avance, han aumentado la salida de un compuesto de dos metales muy comunes, níquel con una rociada de platino de unos nanovolts a decenas o cientos de nanovolts, un voltaje más pequeño, pero en un mucho más simple dispositivo que no requiere nanofabricación y puede fácilmente ampliarse para la industria.
Heremans, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial y erudito eminente de Ohio en nanotecnología, dice que, en cierta medida, utilizando la misma técnica en piezas más gruesas del material que él y su equipo replanteen las ecuaciones que rigen la termodinámica y la termoelectricidad, que fueron desarrollados antes de que los científicos supieran acerca de la mecánica cuántica. Y mientras que la mecánica cuántica a menudo se refiere a fotones, ondas y partículas de luz — la investigación de Heremans refiere a ello — ondas y partículas del magnetismo.
"Básicamente, la termodinámica clásica cubre los motores de vapor que utilizan vapor como un fluido de trabajo o motores de jet, motores de auto que utilizan aire como fluido de trabajo. Los termoeléctricos usan electrones como fluido de trabajo. Y en este trabajo, estamos usando quantums de magnetización, o 'magnons,' como un fluido de trabajo,"dijo Heremans.
La investigación en termodinámica basada en magnon era hasta ahora siempre hecha en películas delgadas — quizá sólo unos átomos de espesor — y hasta las películas mejor producen voltajes muy pequeños.
En el libro de 2012, su equipo describe golpeando electrones con magnons los empujan a través de materiales termoeléctricos. En el documento actual de Nature Communications, se ha demostrado que la misma técnica puede utilizarse en piezas a granel de materiales compuestos para mejorar aún más la recuperación de calor residual.
En lugar de aplicar una capa delgada de platino sobre un material magnético como podría haber hecho antes, los investigadores distribuyen una cantidad muy pequeña de nanopartículas de platino al azar a lo largo de un material magnético, en este caso, de níquel. El compuesto resultante produce mayor tensión de salida debido a la vuelta de efecto Seebeck. Esto significa que para una cantidad dada de calor, el material compuesto generó más electricidad que cualquier material podría por sí solo. Puesto que toda la pieza de compuesto eléctricamente se está llevando a cabo, otros componentes eléctricos pueden extraer la tensión con mayor eficacia en comparación con una película.
Mientras que el compuesto no es parte de un mundo real, Heremans está seguro que la prueba de principio establecida por este estudio inspire a más investigaciones que puedan llevar a aplicaciones comunes generadores de calor residual, incluyendo automóviles y motores jet. La idea es muy general, agregó y se puede aplicar a una variedad de combinaciones de materiales, permitiendo enfoques completamente nuevos que no requieren costosos metales como platino o delicado procedimientos de procesos como crecimiento de película delgada.
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