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Nuevos cristales reducen el flujo de calor para potenciar la energía de calor residual
Investigadores de Science Tokyo construyeron un cristal macroscópico con capas de FeSe incrustadas y conductividad térmica ultrabaja, con el objetivo de mejorar la recuperación termoeléctrica del calo
Imagen: TechXplore
Un equipo del Institute of Science Tokyo afirma haber encontrado una forma de combinar dos propiedades que habitualmente se contraponen en materiales termoeléctricos: un alto rendimiento eléctrico y una conductividad térmica muy baja. El material, TlFe1.6Se2, es un cristal macroscópico en capas que inserta periódicamente capas de seleniuro de hierro (FeSe) de espesor atómico y que además incorpora vacantes de Fe ordenadas.
Esa combinación importa porque los dispositivos termoeléctricos generan electricidad a partir de diferencias de temperatura, como el calor residual de fábricas, automóviles y centrales eléctricas. Para funcionar bien, un material debe conducir la electricidad de forma eficiente y al mismo tiempo impedir el flujo de calor. En la práctica, conseguir ambas propiedades simultáneamente ha sido difícil.
El grupo de Science Tokyo, dirigido por el profesor Takayoshi Katase del Materials and Structures Laboratory, informa en Journal of Materials Chemistry A que TlFe1.6Se2 ofrece las dos ventajas a la vez. Las capas de FeSe incrustadas elevan el factor de potencia termoeléctrica en comparación con el FeSe macroscópico convencional, principalmente gracias a un coeficiente de Seebeck mucho mayor. Según los investigadores, eso demuestra que el comportamiento electrónico inusual del FeSe atómicamente delgado puede trasladarse a un cristal macroscópico práctico.
La segunda ganancia es térmica. Las vacantes de Fe del cristal distorsionan los enlaces atómicos próximos y dispersan fuertemente a los fonones, lo que suprime el transporte de calor. Katase añadió que la presencia de átomos pesados de Tl y la compleja estructura en capas del material reducen aún más la velocidad de los fonones y aumentan la dispersión.
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Aproximadamente a 180 °C, el material experimenta una transición reversible de una fase con vacantes de Fe ordenadas a una fase con vacantes de Fe desordenadas. En ese régimen, su conductividad térmica cae hasta alrededor de 0.2 W m-1 K-1, lo que, según los investigadores, es comparable o inferior a la de materiales termoeléctricos de última generación.
Transporte eléctrico y el efecto de las vacantes
El ordenamiento de las vacantes de Fe también altera el comportamiento eléctrico. En la fase ordenada, el coeficiente de Seebeck supera los 100 μV K-1, lo que genera un factor de potencia termoeléctrica aproximadamente cinco veces mayor que en la fase desordenada. El equipo atribuye ese salto a cambios en la estructura electrónica provocados por la disposición ordenada de las vacantes.
«Este trabajo demuestra la eficacia de un nuevo concepto de diseño en el que la funcionalidad de materiales de baja dimensionalidad se incrusta dentro de cristales macroscópicos. Los resultados ofrecen una vía prometedora para el desarrollo de materiales termoeléctricos de nueva generación que superen los compromisos convencionales entre las propiedades de transporte eléctrico y térmico.»
Los investigadores afirman que la misma estrategia podría aplicarse a compuestos relacionados de FeSe que contengan potasio, rubidio o cesio, que también ofrecen capas de FeSe y concentraciones de vacantes de Fe ajustables.
El artículo es de Xinyi He et al., «Mejora simultánea del factor de potencia y supresión de la conductividad térmica en TlFe 1.6 Se 2 macroscópico mediante capas atómicamente delgadas de FeSe incrustadas», publicado en 2026 en Journal of Materials Chemistry A, DOI: 10.1039/d6ta02075e.
Frontier Editor
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vía TechXplore
