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Diseño, modelado, automatización, simulación, optimización - Industria química | 2017-12-20

El primer refrigerador molecular

SINC | Ingenieros estadounidenses y físicos de la Universidad Autónoma de Madrid han demostrado que se pueden fabricar refrigeradores termoeléctricos con tecnología cuántica y usando moléculas orgánicas como elemento activo. El hallazgo permitirá el desarrollo de una nueva generación de dispositivos de refrigeración al servicio de la nanoelectrónica.

Desde hacía cerca 20 años se venía sugiriendo que los circuitos moleculares –circuitos eléctricos fabricados con moléculas individuales que imitan las funciones de diodos y transistores– podrían comportarse también como refrigeradores termoeléctricos muy eficientes. Ahora, un equipo internacional, formado por físicos de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) e ingenieros de la Universidad de Michigan (EE UU), ha logrado demostrarlo.

Guiados por una teoría cuántica del transporte y disipación del calor en nanocircuitos, los investigadores comprobaron que es posible utilizar moléculas orgánicas para controlar y aumentar el rendimiento de la refrigeración termoeléctrica en circuitos eléctricos. Estos resultados abren la puerta al diseño de una nueva generación de dispositivos de refrigeración eficientes en el campo de la nanotecnología. 

“Observamos que existe una relación muy estrecha entre la estructura atómica de una molécula y la corriente de calor que circula por ella. Por tanto, comprobamos que con un diseño adecuado de las moléculas es posible conseguir y optimizar la refrigeración termoeléctrica en dispositivos nanoelectrónicos”, detalla Juan Carlos Cuevas, coautor del trabajo e investigador del Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada de la UAM.

Estos resultados, publicados en la revista Nature Nanotechnology, abren la puerta al diseño de una nueva generación de dispositivos de refrigeración eficientes con amplias aplicaciones en nanotecnología.

Tecnología cuántica para el refrigerador más pequeño

“Los refrigeradores que hemos diseñado son un ejemplo de tecnología cuántica. Tienen un gran potencial ya que poseen una densidad de corriente eléctrica, y por tanto un poder enfriador muy superior al de los refrigeradores termoeléctricos existentes hasta la fecha”, destaca Linda Angela Zotti, también coautora e investigadora del mismo departamento de la UAM. “Más importante aún es la idea de que este trabajo ha establecido los mecanismos básicos que rigen la refrigeración termoeléctrica en la nanoescala”, añade.

Los refrigeradores termoeléctricos se basan en el fenómeno físico conocido como efecto Peltier, que consiste en la conversión de corriente eléctrica en calor. De este modo utilizan energía eléctrica para enfriar una parte del mismo a costa de calentar otra. En comparación con los refrigeradores comunes, como los que tenemos casa, estos refrigeradores son respetuosos con el medio ambiente al no contener sustancias de efecto invernadero o que afecten a la capa de ozono.

Puesto que los circuitos moleculares constituyen el límite último de la miniaturización, el nuevo refrigerador molecular termoeléctrico es el refrigerador más pequeño posible. Su fabricación y caracterización requirió de una nueva plataforma experimental, basada en la combinación de un microscopio de fuerzas atómicas y un diminuto calorímetro ultra sensible.

“La fabricación del refrigerador se completó depositando sobre el calorímetro una superficie de oro que a su vez se recubre con las moléculas que se desean estudiar. Finalmente, las moléculas se contactaron por el lado libre con la punta del microscopio, formando así un circuito eléctrico que tiene a las moléculas en su parte central”, explica Juan Carlos Cuevas.

“Cuando el circuito se conecta a una batería, una corriente eléctrica pasa por las moléculas, de modo que con el calorímetro se puede determinar si dicha corriente está generando calor, como ocurre habitualmente; o si, por el contrario, está enfriando la superficie sobre la que se depositan las moléculas”, completa el investigador.

Referencia bibliográfica:

L. Cui, R. Miao, K. Wang, D. Thompson, L.A. Zotti, J.C. Cuevas, E. Meyhofer, P. Reddy. “Peltier Cooling in Molecular Junctions”,Nature Nanotechnology. DOI: 10.1038/s41565-017-0020

Escrito originalmente para el Sinc


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