El zumbido termoeléctrico arde con nuevos materiales prometedores a base de magnesio

El aterrizaje del rover de la NASA fue otro salto adelante no solo para la exploración espacial sino también para la tecnología que impulsa al rover en su misión de años en Marte: un generador termoeléctrico que convierte el calor en electricidad.

En busca del próximo salto en las tecnologías termoeléctricas, los investigadores de la Universidad de Duke y la Universidad Estatal de Michigan han obtenido nuevos conocimientos fundamentales sobre dos materiales basados ​​en magnesio (Mg).₃jurar₂ y Mg₃Con₂) tiene el potencial de superar significativamente los diseños termoeléctricos convencionales y también será más ecológico y menos costoso de fabricar. Contrariamente a la sabiduría científica predominante sobre el uso de artículos pesadosDe hecho, los investigadores demostraron que reemplazar átomos pesados ​​de calcio e iterbio con átomos de magnesio más ligeros en realidad resultó en un aumento de tres veces en el rendimiento de los materiales que contienen magnesio.

En su investigación publicada en la revista progreso de la cienciaEn este artículo, el equipo utilizó experimentos de dispersión de rayos X y neutrones en los Laboratorios Oak Ridge (ORNL) y los Laboratorios Nacionales Argonne (DOE) del Departamento de Energía, así como simulaciones de supercomputadoras en el Centro de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC). Investigaciones en escala atómica Descubra la fuente y el mecanismo detrás de la capacidad de los materiales para convertir la energía térmica a temperatura ambiente en electricidad. Los resultados apuntan a posibles nuevos caminos para mejorar las aplicaciones termoeléctricas, como las del carro de perseverancia y una miríada de otros dispositivos y tecnologías de generación de energía.

Los materiales refractarios esencialmente crean un voltaje a partir de la diferencia de temperatura entre los lados fríos y calientes del material. Al convertir la energía térmica en electricidad, o viceversa, los dispositivos termoeléctricos se pueden utilizar para enfriar o generar energía eléctrica a partir del escape térmico.

dijo Olivier Delayer, profesor asociado de Duke. «El magnesio, por otro lado, es más ligero y abundante, lo que lo convierte en un material ideal para aplicaciones de transporte y vuelos espaciales, por ejemplo».

Diller explicó que, por lo general, los materiales más ligeros no son adecuados para diseños termoeléctricos porque su conductividad térmica es muy alta, lo que significa que transfieren mucho calor para mantener la diferencia de temperatura necesaria para producir el voltaje. Los materiales más pesados ​​suelen ser deseables porque conducen menos calor, lo que permite su conservación y transformación. Energía térmica más eficientemente.

«Estos materiales de magnesio tienen una conductividad térmica significativamente menor a pesar de su menor densidad de masa. Estas propiedades podrían abrir la puerta al diseño de nuevos tipos de termoeléctricos que no dependan de materiales pesados ​​con elementos tóxicos», explicó Diller.

Los materiales de magnesio que estudió el equipo pertenecen a una clase más grande de compuestos minerales llamados Zintls. La estructura atómica, o disposición de los átomos, en los compuestos de Zintl hace que sea relativamente fácil experimentar y reemplazar diferentes elementos en el material, por ejemplo, reemplazar un elemento pesado con un elemento más liviano para un desempeño y funcionalidad óptimos.

«En los estudios químicos, explorar las posibilidades de nuevos materiales a menudo implica reemplazar un elemento por otro solo para ver qué sucede. Por lo general, los reemplazamos con elementos químicamente similares en la tabla periódica, y una gran ventaja de usar Zintls es que podemos experimentar con muchos elementos diferentes y combinaciones diferentes ”, dijo el autor. El primero es para el artículo de Ding Jingchuan, un estudiante de posgrado investigador del Grupo Delair de Duke. «Nadie esperaba que el magnesio fuera el mejor compuesto, pero cuando nuestros colaboradores de Michigan lo reemplazaron con los ingredientes de los materiales, nos sorprendió descubrir que realmente lo era, así que el siguiente paso fue averiguar por qué».

Los átomos de la sustancia no son estacionarios ni estacionarios; Vibran con una amplitud que aumenta con las temperaturas más altas. Las vibraciones colectivas crean un efecto multiplicador, llamado fonón, que se asemeja a grupos de ondas en la superficie de un estanque. Son estas ondas las que transfieren calor a través de un material, por lo que medir las vibraciones de los fonones es importante para determinar la conductividad térmica de un material.

Los neutrones son especialmente adecuados para estudiar fenómenos cuánticos como los fonones porque los neutrones no tienen carga y pueden interactuar con los núcleos. Delayer comparó las interacciones de neutrones con los acordes de guitarra en el sentido de que pueden transferir energía a los átomos para excitar vibraciones y obtener información oculta sobre los átomos dentro de una sustancia.

El equipo utilizó el espectrómetro de amplio rango de helicópteros, o ARCS, en la fuente de espalación de neutrones (SNS) de ORNL para medir las vibraciones de los fonones. Los datos que obtuvieron les permitieron rastrear la baja conductividad térmica preferida del material hasta un enlace especial de magnesio que interrumpe la transmisión de ondas fonónicas a través del material al hacer que interfieran entre sí.

«Los neutrones son una de las mejores formas de medir las vibraciones atómicas como las que estudiamos en estos materiales», dijo Ding. «ARCS puede detectar una amplia gama de frecuencias y longitudes de onda que nos ayudan a medir las ondas de fonón en el material, que es exactamente lo que necesitamos para comprender mejor cómo funcionan estos materiales de baja conductividad».

Las mediciones de dispersión de neutrones proporcionaron al equipo de investigación un extenso estudio de la dinámica interna de los materiales de magnesio Zintl que ayudó a guiar y refinar las simulaciones por computadora y los experimentos de rayos X posteriores dirigidos por Ding. Estos se han utilizado para construir una comprensión completa de los orígenes de la conductividad térmica de los materiales.

Se utilizaron experimentos complementarios de rayos X en la Fuente de Fotones Avanzada (APS) en Argonne para ampliar modos de fonones específicos en muestras de cristal que son demasiado pequeñas para las mediciones de neutrones. Tanto las mediciones de neutrones como las de rayos X coincidieron con las simulaciones de supercomputadoras realizadas en NERSC.

Además de Ding y Dillaire, los coautores del artículo incluyen a Tyson Lanigan-Atkins, Mario Calderon-Coeva, Rabbit Banerjee, Douglas L. Abernathy, Ayman Said y Alexandra Zyvalkink.

“La termoelectricidad es esencial en aplicaciones como el rover Mars Perseverance que requieren diseños más simples, livianos y confiables en lugar de los voluminosos motores con partes móviles que se usan tradicionalmente para generar electricidad a partir del calor”, dijo DeLaer. Esto es a base de magnesio Material Los avances significativos en esta área podrían proporcionar una mayor eficiencia energética y mucho potencial para aplicaciones termoeléctricas más avanzadas. »