19/01/2016 - Identifican la primera molécula bi-termoeléctrica

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Más de la mitad de la energía mundial se desperdicia en forma de calor. Los materiales termoeléctricos, que convierten el calor directamente en electricidad, son una solución idónea para la recuperación de parte de este calor residual. Sin embargo, los materiales disponibles actualmente tienen un rendimiento limitado, un elevado coste y una excesiva toxicidad.

La búsqueda de materiales termoeléctricos orgánicos de bajo coste, eficaces y respetuosos con el medio ambiente constituye un activo campo de investigación, cuyos resultados podrían tener un gran impacto en nuestra sociedad.

El efecto Seebeck termoeléctrico consiste en la aparición de una diferencia de voltaje entre los extremos de un material cuando se aplica una diferencia de temperatura entre ambos lados.

El coeficiente termoeléctrico o coeficiente Seebeck es una medida del voltaje que aparece por grado de temperatura aplicado y su signo depende de los portadores de carga en el sistema (electrones o huecos).

Este fenómeno también lo encontramos en la escala nanométrica, aunque para entenderlo se debe recurrir a la mecánica cuántica. En particular, es posible estudiar las propiedades termoeléctricas de uniones moleculares formadas por una única molécula conectada entre dos electrodos que se mantienen a temperaturas diferentes. Las propiedades de estos sistemas dependen de la naturaleza química de las moléculas utilizadas y el signo del coeficiente termoeléctrico proporciona información muy valiosa sobre el tipo de transporte que tiene lugar a través de la molécula.

Fullerenos bi-termoeléctricos

Investigaciones realizadas recientemente evidencian que ciertas moléculas, particularmente algunos fullerenos endohédricos, son sistemas bi-termoeléctricos, es decir, moléculas que pueden tener un coeficiente Seebeck tanto positivo como negativo dependiendo de su orientación y en las que es posible, además, modificar su valor ejerciendo presión sobre ellas.

Los fullerenos endohédricos son moléculas formadas por un fullereno (compuesto por átomos de carbono ordenados en una estructura similar a la de un balón de fútbol), dentro del cual se introduce otra molécula mediante síntesis química. En el caso de la molécula Sc3N@C80, el fullereno tiene 80 átomos de carbono y dentro hay una molécula metálica formada por tres átomos de escandio unidos a un átomo de nitrógeno.

Para estudiar las propiedades de transporte en moléculas individuales se utilizó un microscopio de efecto túnel (o STM, por sus siglas en inglés). El STM es una herramienta muy potente que permite, utilizando una punta de oro como electrodo, visualizar las moléculas depositadas en una superficie también de oro (segundo electrodo) y, posteriormente, tocarlas y caracterizar el transporte eléctrico. Además, calentando la punta del STM unos 40°C por encima de la temperatura ambiente, y estableciendo una diferencia de temperatura entre los dos electrodos, es posible medir termoelectricidad en uniones moleculares individuales.

Las uniones moleculares formadas por Sc3N@C80 presentan diferente comportamiento termoeléctrico con portadores de carga negativa (electrones), ya que éstos se desplazan en un sentido u otro, dependiendo de la orientación de cada molécula.

Además, es posible modificar las propiedades de transporte de estas moléculas ejerciendo presión sobre ellas con la punta del STM.

“La orientación de las moléculas en la superficie de oro determina que la corriente eléctrica pase en uno u otro sentido, lo que fija el signo del coeficiente Seebeck; y, mediante la presión, se observa que el valor de este coeficiente se vuelve siempre más negativo. De esta forma, si su valor es inicialmente positivo, puede tener lugar un cambio de signo al ejercer presión. La clave de este comportamiento tan peculiar consiste en la aparición de una resonancia de transporte situada en la molécula metálica dentro del fullereno y a la cual son sensibles los electrones que pasan por la molécula”, explican los miembros del equipo.

Este hallazgo abre la puerta al estudio de un nuevo tipo de materiales que puede permitir importantes avances en aplicaciones tecnológicas de recuperación de calor, sensores o sistemas de refrigeración.

Al ser un único material el que muestra ambos comportamientos termoeléctricos, puede resultar más fácil eliminar problemas de acoplo, ya que sólo requiere el desarrollo de superficies adecuadas que permitan fijar, preferentemente, la orientación de las moléculas.

 El objetivo es conseguir materiales adecuados, con una eficiencia óptima, de forma que el uso de dispositivos termoeléctricos ayude a resolver el gran reto que suponen las elevadas pérdidas energéticas actuales.

Los resultados obtenidos, que combinan investigación experimental y cálculos teóricos, se han publicado en la revista Nature Materials.

En el trabajo participaron los físicos del Centro de Investigación de Física de la Materia Condensada (IFIMAC) de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y del Instituto Madrileño de Estudios Avanzados IMDEA-Nanociencia: Laura Rincón García, el Dr. Charalambos Evangeli, el Prof. Gabino Rubio Bollinger y el Prof. Nicolás Agraït; en colaboración con grupos de la Universidad de Lancaster (Prof. Colin J. Lambert) y de la Universidad de Oxford (Dr. Kyriakos Porfyrakis).

Referencia bibliográfica:

Laura Rincón García, Ali K. Ismael, Charalambos Evangeli, Iain Grace, Gabino Rubio Bollinger, Kyriakos Porfyrakis, Nicolás Agraït & Colin J. Lambert. “Molecular design and control of fullerene-based bi-thermoelectric materials”. Nature Materials. DOI: 10.1038/nmat4487

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Universidad Autónoma de Madrid

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