Investigación revela por qué algunos materiales bloquean mejor el calor

Investigadores de la Universidad de Queensland (QUT) identificaron por qué algunos materiales son más efectivos para bloquear el calor, una característica clave para la conversión de energía, el aislamiento y el almacenamiento de gases.

La investigación, publicada en Nature Communications, descubrió un mecanismo estructural que explica por qué algunos materiales con composición desigual presentan una baja conductividad térmica. Esta propiedad es vital para la conversión de calor en energía eléctrica.

El primer autor, Siqi Liu, comentó que los hallazgos desafían los modelos convencionales que pasan por alto el papel de las características microestructurales. "Antes se pensaba que la baja conductividad térmica en materiales desiguales se debía simplemente a cómo se mezclaban las diferentes partes", explicó Liu. "Pero descubrimos que en realidad es causada por pequeños defectos, llamados dislocaciones de borde, que dispersan el calor más cuando están dispuestos aleatoriamente".

Los investigadores analizaron una aleación termoeléctrica común, el Bi0.4Sb1.6Te3, como sistema modelo. Utilizaron técnicas avanzadas de microscopía electrónica y sonda térmica para mapear la composición y las propiedades térmicas del compuesto de bismuto-antimonio-telurio a nivel atómico.

Liu indicó que el estudio encontró que los materiales con zonas de bismuto y antimonio mezcladas aleatoriamente bloqueaban el calor de manera más efectiva que aquellos con una estructura más ordenada. Esto se debió a que los defectos, llamados dislocaciones de borde, estaban dispersos en todas direcciones, lo que interrumpía el flujo de calor.

El líder del equipo, Profesor Zhi-Gang Chen, destacó que este descubrimiento abre nuevas vías para diseñar materiales con propiedades térmicas personalizadas. "Al entender cómo se forman y alinean estas dislocaciones, podemos mejorar la ingeniería de materiales para aplicaciones energéticas", afirmó el profesor Chen. "Esta visión estructural proporciona un nuevo principio de diseño para materiales de baja conductividad térmica más allá de la ingeniería de defectos tradicional".

Liu concluyó que los hallazgos podrían tener amplias implicaciones en diversas industrias. "Ya sea mejorando la eficiencia de los generadores termoeléctricos o desarrollando mejores aislantes térmicos, este trabajo nos brinda una nueva herramienta para controlar el flujo de calor a nivel atómico", dijo el Dr. Liu.

El equipo completo de investigación de QUT, todos afiliados al Centro de Ciencia de Materiales de QUT, incluyó a Siqi Liu, Dr. Wei-Di Liu, Dr. Wanyu Lyu, Yicheng Yue, Dr. Han Gao, Dr. Meng Li, Dr. Xiao-Lei Shi y el profesor Zhi-Gang Chen, con la Escuela de Química y Física de QUT y el Hub de Investigación ARC en Generación de Energía Cero Emisiones para la Neutralidad de Carbono. James D. Riches está basado en la Instalación Central de Investigación Analítica (CARF) de QUT. El profesor distinguido Dmitri Golberg está afiliado a la Escuela de Química y Física de QUT.