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» » » » Generando electricidad con átomos enjaulados

Referencia: eScience.News.com, 22 de septiembre 2013

Se pierde una gran cantidad de energía cuando se calientan las máquinas e innecesariamente calientan el ambiente. Parte de esta energía térmica podría ser cosechada utilizando materiales termoeléctricos, con capacidad para crear una corriente eléctrica cuando se utilizan que salte de los objetos calientes a los fríos.

En la Universidad Tecnológica de Viena (TU Viena), ahora pueden producir una nueva y mucho más eficaz clase de materiales termoeléctricos. Es una muy especial estructura cristalina de un material el causante del truco, en conexión con un nuevo y sorprendente efecto físico que incontables pequeñas jaulas dentro del cristal, encierran átomos de cerio. Estos átomos magnéticos atrapados están golpeando constantemente los barrotes de su jaula, y este traqueteo parece ser el responsable de las propiedades excepcionalmente favorables de este material.

Jaulas de cerio

"Clatratos" es el término técnico para estos cristales, en los cuales los átomos son encerrados en espacios similares a una jaula. "Estos clatratos mostrar notables propiedades térmicas", subraya el profesor Silke Bühler-Paschen (TU Viena). El comportamiento exacto del material depende de la interacción entre los átomos atrapados y la jaula que les rodea. "Se nos ocurrió la idea de atrapar átomos de cerio porque sus propiedades magnéticas prometían un tipo particularmente interesante de interacción", explicó.

Durante mucho tiempo, esta tarea parecía imposible. Todos los intentos anteriores para incorporar átomos magnéticos, como el cerio, un metal de tierras raras, dentro de la estructura del clatrato fracasaron. Con la ayuda de una sofisticada técnica de crecimiento de los cristales en un horno de espejo, el profesor Andrey Prokofiev (TU Viena) ha tenido ahora éxito en la creación de clatratos hechos de bario, silicio y oro, encapsulando átomos simples de cerio.

Electricidad por diferencias de temperatura

Las propiedades termoeléctricas del nuevo material ya han sido probadas. Los termoeléctricos funcionan cuando se conecta algo caliente con algo frío: "El movimiento térmico de los electrones en el material depende de la temperatura", explica Bühler-Paschen. "En el lado caliente hay más movimiento térmico que en el lado frío, por lo que los electrones se difunden hacia la región más fría. Por tanto, se crea un voltaje entre ambos lados del material termoeléctrico."

Los experimentos muestran que los átomos de cerio aumentan el poder térmico del material en un 50%, por lo que se puede conseguir un voltaje mucho mayor. Por otra parte, la conductividad térmica de los clatratos es muy baja. Esto también es importante, porque de lo contrario las temperaturas de ambos lados se equilibrarían, y el voltaje no se mantendría.

El efecto Kondo, el más caliente del mundo

"La razón de estas notablemente buenas propiedades del material parece estar en un tipo especial de correlación electrón-electrón, el llamado efecto Kondo", según cree Silke Bühler-Paschen. Los electrones del átomo de cerio están relacionados cuánticamente a los átomos del cristal. En realidad, el efecto Kondo es conocido por la física de bajas temperaturas, cercanas al cero absoluto. Pero, sorprendentemente, estas correlaciones de mecánica cuántica también juegan un papel importante en los nuevos materiales de clatrato, incluso a una temperatura de cientos de grados Celsius.

"El traqueteo de los átomos de cerio atrapados se hace más fuerte a medida que aumenta la temperatura", dice Bühler-Paschen. "Este traqueteo estabiliza el efecto Kondo a altas temperaturas. Estamos observando el efecto Kondo más caliente del mundo."

Más investigación para mejores y más baratos clatratos

El equipo de investigación de la Universidad Técnica de Viena, ahora tratará de lograr este efecto también con diferentes tipos de clatratos. Con el fin de hacer un material comercialmente más atractivo, el oro es caro y posiblemente podría ser sustituido por otros metales, como el cobre. En lugar de cerio, podría utilizarse una mezcla más barata de varios elementos de tierras raras. Hay grandes esperanzas de que el diseño de clatratos puede aplicarse tecnológicamente en el futuro y convertir el calor residual industrial en valiosa energía eléctrica.


- Imágenes: TU Vienna
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Editor del blog Pedro Donaire

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