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Materiales bidimensionales hacen avanzar las tecnologías de refrigeración verde

Materiales bidimensionales hacen avanzar las tecnologías de refrigeración verde

17/10/2017

Un equipo internacional de investigación, en el que participa el físico Daniel Errandonea, del Instituto de Ciencia de los Materiales (ICMUV), en el Parc Científic de la Universitat de València, acaba de predecir efectos mecanocalóricos gigantes –uno de los retos de la física de materiales modernos– en películas delgadas de conductores de iones rápidos, un tipo de material cuya abundancia viabiliza el desarrollo de tecnologías de refrigeración verde. El trabajo aparece publicado en la revista Nature Communications.

Con el fin de evitar el uso de gases contaminantes propios de los métodos convencionales de enfriamiento, desde hace años se vienen utilizando métodos llamados ‘de refrigeración de estado sólido’. En ellos se sustituye el gas de intercambio de calor de los métodos convencionales por un material en estado sólido. Sometiendo este material a un campo mecánico externo –por ejemplo, presión– se pueden conseguir cambios en la temperatura del mismo. Esto propiciará la cesión o absorción de calor entre dicho material y el entorno, actuando así como método de enfriamiento. Este fenómeno, que se conoce como ‘efecto mecanocalórico’, era hasta hace poco cuatro veces menos eficiente que los métodos convencionales de enfriamiento.

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Un gran reto para la física es la búsqueda de materiales con un comportamiento mecanocalórico gigante, mucho más potente, que aumente la viabilidad de la refrigeración de estado sólido y permita que esta tecnología pueda erigirse como alternativa eficiente y amigable con el medio ambiente.

El equipo en el que participa Daniel Errandonea ya predijo en 2016 (Nano Letters 10.1021) el uso de materiales conductores de iones, como la fluorita, para lograr efectos mecanocalóricos gigantes superiores a los conseguidos hasta entonces mediante materiales ferroeléctricos o aleaciones metálicas superelásticas. Sin embargo, dicho efecto se observó a temperaturas muy superiores a la temperatura ambiente, concretamente a 1100 K. El descubrimiento se realizó –como ahora– mediante simulaciones teóricas DFT, un método mecanicocuántico empleado en física de la materia condensada para describir las propiedades de los materiales.

En esta ocasión, el equipo ha descubierto que los efectos mecanocalóricos gigantes se pueden producir sobre películas delgadas de algunas familias de conductores de iones rápidos, como el oxicloruro de litio o el ioduro de plata, un tipo abundante de materiales que se emplea de forma rutinaria en baterías electroquímicas.

El artículo publicado en Nature Communications describe cómo los científicos han logrado rebajar dicha temperatura a 300 K. Por otro lado, también determinaron que el efecto mecanocalórico observado es reversible y que la fuerza mecanocalórica (parámetro que determina la eficiencia del ciclo de enfriamiento) de las películas delgadas de ioduro de plata es comparable a la de los mejores materiales mecanocalóricos conocidos hasta ahora. Estos resultados amplían considerablemente la posibilidad de usar películas de delgadas de materiales superiónicos en nuevas tecnologías de refrigeración respetuosas del medio ambiente.

Los resultados publicados por Daniel Errandonea (Universitat de València), Arun K. Sagotra y Claudio Cazorla (ambos de la University of New South Wales, Australia) abren una nueva y prometedora vía para el diseño racional de las tecnologías de refrigeración verde, que podría ser no sólo más ecológica que los métodos de refrigeración convencional, sino también más eficiente.

El proyecto cuenta con el apoyo del Programa de Excelencia de la Universitat de València (UV-INV-EPC17-547792) y de MINECO (MAT2016-75586-C4-1-P).

Referencia:
Efectos mecano-calóricos en películas delgadas superiónicas a partir de simulaciones atomísticas
Arun K. Sagotra (1) Daniel Errandonea (2) and Claudio Cazorla (1)
1. School of Materials Science and Engineering, UNSW Australia, Sydney NSW 2052, Australia Integrated Materials Design Centre, UNSW Australia, Sydney NSW 2052, Australia
2. Departamento de Física Aplicada (ICMUV), Malta Consolider Team, Universitat de Valencia, 46100 Burjassot, Spain

Nature Communications… … …, Article number… … 2017
DOI: 10.1038/s41467-017-01081-7

Foto: Esquema del funcionamiento de la refrigeración por efecto mecanocalòric. En la descompresión, el sólido se enfría y absorbe calor, enfriando el frigorífico. En la siguiente etapa, se comprime el sólido que aumenta la temperatura. En la última etapa el sólido libera el exceso de calor a la atmósfera.
 

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