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Esta imagen de microscopio electrónico muestra a los enfriadores dos semiconductores, una escama de telururo de bismuto y otra de telururo de antimonio-bismuto superpuestas en el área oscura del medio, que es donde ocurre la mayor parte del enfriamiento. Los pequeños puntos son nanopartículas de indio, que el equipo usó como termómetros. Crédito: UCLA.

Mediante el uso de los mismos principios físicos que han estado impulsando los instrumentos a bordo de la nave espacial Voyager de la NASA durante los últimos 40 años, los investigadores de la UCLA han diseñado el refrigerador más pequeño del mundo. El enfriador termoeléctrico tiene solo 100 nanómetros de espesor, aproximadamente 500 veces más delgado que el ancho de un cabello humano, y algún día podría revolucionar la forma en que evitamos que la microelectrónica se sobrecaliente.

Hemos fabricado el refrigerador más pequeño del mundo, dijo Chris Regan, profesor de física de la UCLA y autor principal del nuevo estudio publicado esta semana en la revista ACS Nano.

En lugar de su sistema de compresión de vapor dentro de su refrigerador, el pequeño dispositivo desarrollado por el equipo de investigadores de Regans es termoeléctrico. Cuando dos semiconductores diferentes se intercalan entre placas de metal, pueden suceder dos cosas.

Si se aplica calor, un lado se calienta, mientras que el otro permanece frío. Esta diferencia de temperatura se puede aprovechar para generar electricidad. Por ejemplo, la nave espacial Voyager, que se cree que viajó más allá de los límites del sistema solar después de visitar los planetas más exteriores en la década de 1970, todavía funciona con dispositivos termoeléctricos que generan electricidad a partir del calor producido por una bomba nuclear de plutonio. reactor.

Este proceso también funciona a la inversa. Cuando se aplica electricidad, un semiconductor se calienta, mientras que el otro permanece frío. El lado frío puede así funcionar como enfriador o refrigerador.

Lo que los físicos de UCLA pudieron hacer fue reducir el enfriamiento termoeléctrico en un factor de más de 10,000 en comparación con el enfriador termoeléctrico más pequeño anterior.

Lo hicieron utilizando dos materiales semiconductores estándar: telururo de bismuto y telururo de antimonio-bismuto. Aunque los materiales son comunes, la combinación de los dos compuestos de bismuto en estructuras bidimensionales demostró ser excelente.

Normalmente, los materiales empleados en los refrigeradores termoeléctricos son buenos conductores eléctricos pero malos conductores térmicos. Estas propiedades son generalmente mutuamente excluyentes, pero no en el caso de la combinación de bismuto de un átomo de espesor.

Su pequeño tamaño lo hace millones de veces más rápido que un refrigerador que tiene un volumen de un milímetro cúbico, y eso ya sería millones de veces más rápido que el refrigerador que tienes en tu cocina, dijo Regan.

Una vez que entendamos cómo funcionan los enfriadores termoeléctricos a nivel atómico y casi atómico, dijo, podemos escalar a la macroescala, donde está la gran recompensa.

Uno de los mayores desafíos a los que se enfrentaron los investigadores fue medir la temperatura a una escala tan pequeña. Su termómetro típico simplemente no servirá. En cambio, los físicos emplearon una técnica que inventaron en 2015 llamada PEET, o termometría de expansión de energía de plasmón. El método determina la temperatura a nanoescala midiendo los cambios de densidad con un microscopio electrónico de transmisión.

En este caso concreto, los investigadores colocaron nanopartículas de indio en las inmediaciones del enfriador termoeléctrico. A medida que el dispositivo se enfriaba o calentaba, el indio se contraía o expandía correspondientemente. Al medir la densidad del indio, se pudo determinar con precisión la temperatura del nanoenfriador.

PEET tiene la resolución espacial para mapear gradientes térmicos en la escala de pocos nanómetros, un régimen casi inexplorado para materiales termoeléctricos nanoestructurados, dijo Regan.

La combinación ganadora de semiconductores encontrada por los físicos de la UCLA puede algún día llevarse a la escala macro, permitiendo una nueva clase de dispositivos de enfriamiento sin partes móviles que regulan la temperatura en telescopios, dispositivos microelectrónicos y otros dispositivos de alta gama.

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