Física

Las unidades de aire acondicionado consumen mucha energía, de modo que, en los meses de verano, ocupan el primer lugar en consumo de electricidad entre los electrodomésticos. Ahora Teppei Yamada y sus colegas de la Universidad de Tokio han desarrollado un material que podría ayudar a reducir las necesidades energéticas del aire acondicionado al convertir el calor residual de estos sistemas en electricidad [1]. El material también podría utilizarse en dispositivos portátiles que necesiten generar su propia electricidad. "Las tecnologías que convierten el calor en electricidad están en sus etapas iniciales", dice Yamada. "Aquí, por primera vez, lo hacemos utilizando una transición de fase [de polímero]".

El material que utilizan Yamada y sus colegas es un polímero termosensible llamado PNV, un polímero absorbente de agua desarrollado por otros. En solución, a temperatura ambiente, el PNV absorbe agua de manera que cada hebra de polímero adopta la forma de una espiral hinchada. Calentar la mezcla por encima de unos 40 °C y las cadenas expulsan esta agua y se contraen formando glóbulos compactos.

La transición “bobina-glóbulo” de PNV también se puede inducir mediante una reacción redox, que es una reacción que implica la transferencia de electrones entre dos materiales. Tal como se sintetiza, cada hebra del PNV que utilizan Yamada y su grupo tiene carga positiva, con una carga neta de +2 (PNV2+). Este cargo se puede reducir en uno mediante varios métodos. PNV+ sufre la misma transición bobina-glóbulo que PNV2+ pero a alrededor de 20 °C en lugar de 40 °C. Por lo tanto, si ocurre una reacción redox en una muestra mantenida a 30 °C, la transferencia de electrones desencadenará una transición de fase.

Los cálculos del equipo muestran que esta transición de fase activada por redox puede, bajo ciertas condiciones, usarse para generar voltaje en un dispositivo similar a una batería. En términos generales, el proceso es el siguiente: en un electrodo, el glóbulo PNV+ dona un electrón al electrodo. Esta donación oxida PNV+, que luego se convierte en PNV2+ y se hincha hasta formar una espiral hinchada. En el otro electrodo, el PNV2+ enrollado toma un electrón. Esta acción reduce PNV2+ a PNV+ y contrae el polímero hasta convertirlo en un glóbulo. Luego el ciclo se repite.

Para que esta reacción genere voltaje, los electrodos deben tener diferentes temperaturas. En este caso, el electrodo frío debe estar a una temperatura justo por encima de la temperatura de transición de bobina a glóbulo de PNV+ y el electrodo caliente a una temperatura justo por debajo de la temperatura de transición de bobina a glóbulo de PNV2+. Este gradiente de temperatura provoca un desequilibrio en la distribución de bobinas y glóbulos a través del dispositivo, lo que a su vez induce una diferencia de potencial electroquímico entre los electrodos. Esta diferencia es un requisito previo para la generación de voltaje en cualquier sistema, incluso en baterías normales, dice el miembro del equipo Hongyao Zhou. "Si no existiera un gradiente de temperatura, no obtendríamos ninguna tensión, porque las transiciones de fase se producirían por igual en ambos electrodos, que tendrían entonces el mismo potencial electroquímico", añade.

Para su demostración, los investigadores construyeron una batería a partir de dos capas de platino, entre las cuales colocaron su mezcla PNV. Inicialmente, la mitad del PNV estaba en forma oxidada (PNV2+) y la otra mitad en forma reducida (PNV+). Configuraron el electrodo frío a 25 °C y aumentaron el electrodo caliente de 25 °C a 45 °C mientras medían la salida de voltaje.

Para la mezcla 50:50, los investigadores descubrieron que la salida de voltaje saltaba repentinamente cuando la diferencia de temperatura excedía los 10 °C. La salida máxima que registraron para su batería fue de unos 20 milivoltios, un voltaje que, según Zhou, podrían aumentar conectando varios dispositivos. La diferencia de temperatura requerida para obtener este salto de voltaje era ajustable, alcanzando valores más altos y más bajos cuando el equipo alteraba la proporción de PNV+ a PNV2+ en la mezcla inicial. Solo se encontró una pequeña salida de voltaje cuando reemplazaron el PNV con una molécula que sufre la reacción redox pero que no tiene una cadena de polímero asociada, lo que indica que la transición de fase del polímero estaba de hecho detrás de la generación de electricidad, dice Zhou.

Yamada, Zhou y sus colegas también realizaron el experimento inverso, donde aplicaron una corriente y midieron el cambio de temperatura inducido en el sistema, un fenómeno que podría usarse para enfriar dispositivos electrónicos. Este efecto fue menor, pero vieron un cambio de temperatura de unos pocos mikelvin. Zhou dice que esta es la primera vez que se obtiene un cambio de temperatura a partir de la transición de fase del polímero.

En las demostraciones del equipo, el gradiente de temperatura se fijó utilizando instrumentos de laboratorio. En aplicaciones del mundo real, Zhou prevé que esto podría hacerse utilizando el calor residual de otros dispositivos, como una unidad de aire acondicionado. El calor también podría provenir del cuerpo humano. "La temperatura ideal para operar este dispositivo es cercana a la temperatura corporal, por lo que podríamos utilizar el calor corporal y el aire para generar electricidad", dice Yamada. "Hay muchas oportunidades allí".

Este trabajo proporciona una ruta novedosa para el uso de materiales poliméricos en aplicaciones energéticas, dice Javier Carretero-González del Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros de España, quien desarrolla materiales poliméricos funcionales para tecnologías energéticas sostenibles. “La implementación de materiales poliméricos nuevos y más sostenibles en el almacenamiento y conversión de energía podría abrir una alternativa a los sistemas inorgánicos y metálicos que suelen ser más caros”, afirma. Eso ofrecería una clara ventaja sobre las tecnologías actuales.

–Katherine Wright

Katherine Wright es la editora adjunta de la revista Physics.

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