Unos nanotubos de silicio podrían convertir el calor que desperdician ordenadores, coches y centros de datos en electricidad

Al finalizar una videollamada, el portátil continúa irradiando una temperatura evidente; el bloque de un automóvil conserva ese exceso térmico varios minutos después de apagar el motor. Al mismo tiempo, miles de procesadores obligan a los centros de datos a destinar enormes recursos a la refrigeración. Aunque pertenezcan a escenarios completamente distintos, todos comparten un rasgo común: una fracción considerable de la electricidad consumida acaba disipándose sin producir ningún beneficio.

Ese despilfarro acompaña prácticamente a cualquier actividad tecnológica. Una parte importante del suministro energético jamás llega a convertirse en movimiento, iluminación o procesamiento de información, sino que termina difundiéndose hacia el entorno. Desde hace décadas, físicos e ingenieros persiguen la manera de aprovechar ese excedente. Conseguirlo permitiría elevar la eficiencia de innumerables equipos sin incrementar el consumo eléctrico.

Con ese propósito, un grupo de la Universidad Pohang de Ciencia y Tecnología (POSTECH), en Corea del Sur, eligió una aproximación poco habitual. Como cuenta Nano Energy, en lugar de sintetizar un compuesto inédito, rediseñaron diminutas piezas de silicio para reorganizar la circulación de la energía térmica en su interior.

Los primeros ensayos sugieren que una intervención aparentemente sencilla podría convertir un recurso considerado hasta ahora irrecuperable en una fuente complementaria de electricidad.

¿Por qué seguimos desperdiciando tanto calor?

La conversión directa de una diferencia de temperatura en corriente eléctrica recibe el nombre de termoelectricidad. Aunque apenas trascienda fuera del ámbito científico, lleva lustros presente en aplicaciones muy concretas, desde sondas espaciales alimentadas mediante generadores de radioisótopos hasta sensores instalados en lugares donde reemplazar una batería resulta especialmente complicado.

Su principal fortaleza consiste en prescindir tanto de combustibles como de piezas mecánicas: basta con mantener un extremo más caliente que el otro. Y, si esa capacidad alcanzara una eficacia suficiente para extenderse a ordenadores, automóviles, instalaciones fabriles o centros de datos, buena parte del calor liberado al ambiente regresaría al circuito convertida nuevamente en electricidad. Dar ese salto desde la teoría hasta la práctica, sin embargo, ha resultado mucho más complejo de lo que hacían prever los primeros modelos.

El obstáculo nace de la propia naturaleza de los materiales termoeléctricos. Para llegar un rendimiento elevado deben dificultar el avance del calor y, simultáneamente, favorecer el desplazamiento de las cargas eléctricas. Ambas propiedades evolucionan casi siempre en la misma dirección: cuando una mejora, la otra suele deteriorarse. Ese delicado compromiso ha frenado la aparición de dispositivos a los que les sea posible competir con otras alternativas.

Para un rendimiento elevado de los materiales termoeléctricos, deben dificultar el avance del calor y, a la vez, favorecer el desplazamiento de las cargas eléctricas. Pero, cuando una mejora, la otra suele deteriorarse.

Un desafío que parecía no tener salida

A lo largo de los años, la estrategia más eficaz consistió en reducir las dimensiones hasta la escala nanométrica. Cuanto más estrecho resulta el recorrido, mayores dificultades encuentran las vibraciones responsables del transporte térmico para propagarse, facilitando así que la temperatura permanezca más tiempo dentro del material.

Los nanohilos de silicio terminaron convirtiéndose en la referencia de esta línea de investigación. Su reducido diámetro disminuye notablemente la conductividad térmica y mejora el funcionamiento de los dispositivos termoeléctricos frente a diseños convencionales.

Aquella solución, no obstante, escondía una limitación importante: cuando las dimensiones continúan reduciéndose, los electrones también comienzan a dispersarse con mayor frecuencia. Como consecuencia, el mismo recurso empleado para frenar el calor termina perjudicando la circulación de la corriente, exactamente el efecto opuesto al que se pretende lograr.

Todo parecía conducir a un callejón sin salida, conque el equipo de POSTECH decidió formular una pregunta diferente: ¿sería factible ralentizar el avance de la energía térmica sin sacrificar el tránsito de las cargas eléctricas? Para responderla dirigió su atención hacia un aspecto que apenas había despertado interés: la geometría interna del propio material.

Un vacío microscópico cambia las reglas del transporte térmico

La idea concebida por el equipo coreano parte de un gesto aparentemente insignificante: sustituir los nanohilos macizos por nanotubos. Basta con vaciar su núcleo para generar una cavidad longitudinal. Esa alteración, casi imperceptible a simple vista, modifica profundamente el modo en que el calor atraviesa el silicio cuando las dimensiones descienden hasta la escala nanométrica.

La interpretación más intuitiva atribuiría ese efecto al aumento de superficie. Con cuantos más límites se topa una vibración durante su paso, mayores son las probabilidades de que pierda impulso. Para comprobar si esa lectura bastaba por sí sola, los autores compararon nanotubos y nanohilos con idéntica relación entre superficie y volumen, eliminando así la influencia de ese parámetro geométrico.

Sustituir los nanohilos macizos por nanotubos modifica profundamente el modo en que el calor atraviesa el silicio cuando las dimensiones descienden hasta la escala nanométrica.

Las observaciones descartaron esa hipótesis. Incluso bajo esas condiciones, los nanotubos seguían conduciendo alrededor de un 33 por cientomenos de calor que sus equivalentes macizos. Aquella diferencia obligaba a buscar otra explicación distinta de las simples colisiones contra las paredes internas.

Las simulaciones computacionales acabaron identificando el mecanismo. Una fracción de los fonones, responsables del transporte térmico en los sólidos, deja de propagarse libremente y permanece confinada alrededor del hueco central. Ese fenómeno, denominado localización de fonones, reduce la contribución de esas vibraciones al flujo energético sin alterar la composición química del silicio.

El examen puso de relieve que esos modos confinados aparecían más del doble de veces que en los nanohilos convencionales. Esa constatación respalda la hipótesis de que la cavidad interior no solo incrementa el área disponible, sino que añade un principio físico apenas explorado en el diseño de materiales termoeléctricos.

Un principio con potencial, aunque todavía lejos de los productos comerciales

Los propios autores subrayan que aún no estamos ante un dispositivo preparado para lanzarlo al mercado. Lo conseguido constituye una demostración experimental que deberá superar numerosos desafíos antes de materializarse en una aplicación práctica: fabricación a gran escala, integración en componentes comerciales y comprobación de su estabilidad tras largos periodos de funcionamiento.

Aun con esas reservas, las mediciones alimentan el optimismo. La presencia del hueco apenas alteró el coeficiente Seebeck ni la conductividad eléctrica respecto a los nanohilos tradicionales. Dicho de otro modo, esta configuración logró ralentizar el flujo térmico sin perjudicar de forma apreciable las propiedades responsables de generar corriente, precisamente el equilibrio que la comunidad científica perseguía desde hacía décadas.

Los cálculos indican además que incorporar una cavidad de unos 200 nanómetros permitió multiplicar por más de dos el desempeño termoeléctrico, expresado mediante el parámetro ZT. Aunque esa cifra pertenece todavía al ámbito experimental, demuestra que reorganizar la geometría interna puede ofrecer prestaciones similares a las obtenidas mediante compuestos completamente distintos.

Incorporar una cavidad de unos 200 nanómetros permitió multiplicar por más de dos el desempeño termoeléctrico.

Quizá esa sea la aportación más trascendente del estudio, ya que la búsqueda de dispositivos más eficientes se enfocó casi exclusivamente en descubrir formulaciones inéditas. El trabajo de POSTECH invita a contemplar una técnica diferente: extraer nuevas prestaciones de un elemento tan abundante y conocido como el silicio recurriendo únicamente a una redistribución de su arquitectura microscópica.

Si futuras investigaciones consolidan esa línea, el calor que hoy se pierde silenciosamente en ordenadores, automóviles, instalaciones industriales o centros de datos podría dejar de interpretarse como un residuo inevitable para convertirse en una fuente complementaria de electricidad.