Un equipo de investigación colaborativo, dirigido por la Universidad de Liverpool, ha descubierto un nuevo material inorgánico con la conductividad térmica más baja jamás reportada. Este descubrimiento allana el camino para el desarrollo de nuevos materiales termoeléctricos que serán críticos para una sociedad sostenible.
El descubrimiento, publicado en la revista Science_ ,_ 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. El nuevo descubrimiento acelerará el desarrollo de nuevos materiales para convertir el calor residual en energía y para el uso eficiente de combustibles.
El equipo de investigación, dirigido por el profesor Matt Rosseinsky en el Departamento de Química y Fábrica de Innovación de Materiales de la Universidad y el Dr. Jon Alaria en el Departamento de Física de la Universidad y el Instituto Stephenson de Energía Renovable , diseñó y sintetizó el nuevo material para que combinara dos arreglos diferentes de átomos cada uno de los cuales reduce la velocidad a la que el calor se mueve a través de la estructura de un sólido.
Identificaron los mecanismos responsables del transporte de calor reducido en cada uno de estos dos arreglos midiendo y modelando las conductividades térmicas de dos estructuras diferentes, cada una de las cuales contenía uno de los arreglos requeridos.
Combinar estos mecanismos en un solo material es difícil, porque los investigadores tienen que controlar exactamente cómo se organizan los átomos dentro de él. Intuitivamente, los científicos esperarían obtener un promedio de las propiedades físicas de los dos componentes. Al elegir interfaces químicas favorables entre cada uno de estos diferentes arreglos atómicos, el equipo sintetizó experimentalmente un material que combina ambos.
Este nuevo material, con dos disposiciones combinadas, tiene una conductividad térmica mucho menor que cualquiera de los materiales originales con una sola disposición. Este resultado inesperado muestra el efecto sinérgico del control químico de las ubicaciones atómicas en la estructura, y es la razón por la que las propiedades de toda la estructura 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.
“El material que hemos descubierto tiene la conductividad térmica más baja de cualquier sólido inorgánico y es un conductor de calor casi tan pobre como el aire mismo. Las implicaciones de este descubrimiento son significativas, tanto para la comprensión científica fundamental como para las aplicaciones prácticas en dispositivos termoeléctricos que recolectan el calor residual y como recubrimientos de barrera térmica para turbinas de gas más eficientes", asegura el profesor Matt Rosseinsky.
“El hallazgo emocionante de este estudio es que es posible mejorar las propiedades de un material utilizando conceptos físicos complementarios y una interfaz atómica adecuada. Más allá del transporte de calor, esta estrategia podría aplicarse a otras propiedades físicas fundamentales importantes como el magnetismo y la superconductividad, lo que lleva a una computación de menor energía y a un transporte de electricidad más eficiente”, afirma el Dr. Jon Alaria.
Aproximadamente el 70 por ciento 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 eficientes, que pueden convertir el calor en electricidad, se considera una fuente clave de energía limpia.
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