La gestión rápida y localizada del calor es esencial para dispositivos electrónicos y podría tener aplicaciones que van desde materiales portátiles hasta tratamiento de quemaduras. Si bien los llamados materiales termoeléctricos convierten las diferencias de temperatura en voltaje eléctrico y viceversa, su eficiencia a menudo es limitada, y su producción es costosa y derrochadora. En un nuevo artículo publicado en CienciaInvestigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología Austria (ISTA) utilizaron una técnica de impresión 3D para fabricar materiales termoeléctricos de alto rendimiento, reduciendo significativamente los costos de producción.
Los enfriadores termoeléctricos, también llamados refrigeradores de estado sólido, pueden inducir un enfriamiento localizado mediante el uso de una corriente eléctrica para transferir el calor de un lado del dispositivo a otro. Sus largas vidas, la invulnerabilidad a las fugas, el tamaño y la sintonización de la forma, y la falta de piezas móviles (como los líquidos circulantes) hacen que estos dispositivos sean ideales para diversas aplicaciones de enfriamiento, como la electrónica. Sin embargo, la fabricación de lingotes se asocia con altos costos y genera muchos desechos de materiales. Además, el rendimiento de los dispositivos sigue siendo limitado.
Ahora, un equipo del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA), dirigido por Profesor Verbund para Ciencias de la Energía y Jefe del laboratorio termoeléctrico de Werner Siemens Maria Ibáñez, con el primer autor e Ista Postdoc Shengduo Xu, desarrolló materiales termoeléctricos de alto rendimiento fuera de la impresora 3D y los usó para construir un enfriador termoeléctrico. «Nuestra innovadora integración de la impresión 3D en la fabricación de enfriador termoeléctrico mejora enormemente la eficiencia de fabricación y reduce los costos», dice Xu. Además, en contraste con los intentos anteriores de imprenta 3D, materiales termoeléctricos, el método actual produce materiales con un rendimiento considerablemente más alto. El profesor de ISTA, Ibáñez, agrega: «Con el rendimiento a nivel comercial, nuestro trabajo tiene el potencial de extenderse más allá de la academia, manteniendo la relevancia práctica y atrayendo el interés de las industrias que buscan aplicaciones del mundo real».
Empujar los límites de las tecnologías termoeléctricas
Si bien todos los materiales demuestran algún efecto termoeléctrico, a menudo es demasiado insignificante para ser útil. Los materiales que exhiben un efecto termoeléctrico lo suficientemente alto generalmente son los llamados «semiconductores degenerados», es decir, semiconductores «dopados», a los que se introducen las impurezas intencionalmente para que se comporten como conductores. Los refrigeradores termoeléctricos de última generación se producen utilizando técnicas de fabricación basadas en lingoteo: procedimientos costosos y hambrientos de energía que requieren procesos de mecanizado extensos después de la producción, donde se desperdicia mucho material. «Con nuestro presente trabajo, podemos imprimir en 3D exactamente la forma necesaria de los materiales termoeléctricos. Además, los dispositivos resultantes exhiben un efecto de enfriamiento neto de 50 grados en el aire. Esto significa que nuestros materiales impresos en 3D funcionan de manera similar a los que son Significativamente más caro de fabricar «, dice Xu. Por lo tanto, el equipo de científicos de materiales de ISTA propone un método de producción escalable y rentable para los materiales termoeléctricos, eludiendo los pasos intensivos en energía y que requieren mucho tiempo.
Materiales impresos con unión de partículas optimizada
Más allá de la aplicación de técnicas de impresión 3D para producir materiales termoeléctricos, el equipo diseñó las tintas para que, a medida que el disolvente portador evapora, se forman enlaces atómicos efectivos y robustos entre los granos, creando una red de materiales conectada atómicamente. Como resultado, los enlaces químicos interfaciales mejoran la transferencia de carga entre los granos. Esto explica cómo el equipo logró mejorar el rendimiento termoeléctrico de sus materiales impresos en 3D al tiempo que arrojó nueva luz sobre las propiedades de transporte de los materiales porosos. «Empleamos una técnica de impresión 3D basada en la extrusión y diseñamos la formulación de tinta para garantizar la integridad de la estructura impresa y aumentar la unión de partículas. Esto nos permitió producir los primeros enfriadores termoeléctricos de materiales impresos con rendimiento comparable a dispositivos a lingotes mientras se ahorra a los dispositivos de lingoteo mientras se ahorraron material y energía «, dice Ibáñez.
Aplicaciones médicas, recolección de energía y sostenibilidad
Más allá del manejo rápido del calor en dispositivos electrónicos y dispositivos portátiles, los enfriadores termoeléctricos podrían tener aplicaciones médicas, incluido el tratamiento de quemaduras y el alivio de la tensión muscular. Además, el método de formulación de tinta desarrollado por el equipo de científicos de ISTA puede adaptarse para que otros materiales se utilicen en generadores termoeléctricos de alta temperatura, dispositivos que pueden generar voltaje eléctrico a partir de una diferencia de temperatura. Según el equipo, dicho enfoque podría ampliar la aplicabilidad de los generadores termoeléctricos en varios sistemas de recolección de energía de desechos.
«Ejecutamos con éxito un enfoque de ciclo completo, desde optimizar el rendimiento termoeléctrico de las materias primas hasta fabricar un producto final estable y de alto rendimiento», dice Ibáñez. Xu agrega: «Nuestro trabajo ofrece una solución transformadora para la producción de dispositivos termoeléctricos y anuncia una nueva era de tecnologías termoeléctricas eficientes y sostenibles».
