El desafío fundamental en la tecnología termoeléctrica ha sido resolver una contradicción inherente: los materiales que conducen bien la electricidad también conducen bien el calor, lo que hace que los lados caliente y frío se igualen rápidamente, debilitando la generación de electricidad. Los investigadores del Instituto de Ciencia de Tokio abordaron este problema utilizando un compuesto llamado TlFe₁.₆Se₂, cuya estructura interna se asemeja a capas de un sándwich.
El material está compuesto por capas extremadamente delgadas de selenuro de hierro, o FeSe, que se encuentran incrustadas repetidamente en todo un cristal tridimensional más grande. Esta configuración es crucial porque las películas de FeSe de espesor atómico poseen propiedades eléctricas inusualmente buenas para la generación termoeléctrica. Sin embargo, las películas de solo unos pocos átomos de espesor son difíciles de fabricar, manipular e integrar en maquinaria real.
Al reproducir el comportamiento de estas películas ultrafinas dentro de un sólido práctico, los investigadores lograron un avance significativo. El diseño de los nuevos cristales asegura que falten algunos átomos de hierro, una propiedad conocida como vacantes de hierro. Esta característica es fundamental porque limita la transmisión de calor a través del cristal mediante vibraciones atómicas llamadas fonones. Si los cristales fueran perfectamente regulares, estas vibraciones podrían viajar fácilmente, pero con las interrupciones causadas por las vacantes, los fonones se dispersan, los enlaces atómicos se distorsionan y toda la red cristalina se modifica de manera que el calor no puede viajar fácilmente.
El resultado es una conductividad térmica extremadamente baja de aproximadamente 0,2 vatios por metro-kelvin a alrededor de 180 grados Celsius. En términos prácticos, el material actúa casi como un aislante térmico mientras sigue produciendo una respuesta eléctrica, lo que representa un logro considerable en el campo de los materiales termoeléctricos.
Según el profesor Takayoshi Katase, investigador principal del Laboratorio de Materiales y Estructuras del Instituto de Ciencia de Tokio, "este trabajo demuestra la efectividad de un nuevo concepto de diseño en el cual la funcionalidad de materiales de baja dimensionalidad se integra dentro de cristales masivos". Katase añadió que "los resultados proporcionan un camino prometedor para el desarrollo de materiales termoeléctricos de próxima generación que superen los compromisos convencionales entre las propiedades de transporte eléctrico y térmico".
Sin embargo, la investigación hasta ahora solo ha probado la tecnología dentro de un laboratorio. Para que se aplique a la generación eléctrica real, los investigadores aún necesitan superar varios obstáculos significativos. La eficiencia general de conversión requiere mejoras sustanciales, y la estabilidad a largo plazo, el costo, la escalabilidad, la resistencia y el rendimiento en ubicaciones reales como entornos industriales también necesitan ser abordados. Además, la presencia de talio introduce problemas de seguridad y contención, ya que es altamente tóxico.
Las aplicaciones potenciales de este material son amplias. En fábricas, podría recuperar energía de los gases de escape. En vehículos, podría capturar calor residual de los motores. En plantas de energía, podría mejorar la eficiencia general del sistema. En hornos industriales, podría convertir calor que de otro modo se perdería en electricidad útil.
El estudio ha sido publicado en la revista Journal of Materials Chemistry A, lo que indica que ha pasado por revisión por pares y ha sido validado por la comunidad científica internacional. Este trabajo representa un paso importante en la búsqueda de materiales termoeléctricos más eficientes y prácticos, aunque aún queda un camino considerable antes de que la tecnología pueda implementarse a escala comercial.