Gracias a dispositivos a nanoescala tan pequeños como células humanas, los investigadores pueden crear propiedades materiales innovadoras, lo que conducirá a productos electrónicos más pequeños, más rápidos y con mayor eficiencia energética. Sin embargo, para desbloquear plenamente el potencial de la nanotecnología, es fundamental abordar el ruido. Un equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Chalmers (Suecia) ha dado un paso importante hacia el descubrimiento de las limitaciones fundamentales del sonido, allanando el camino para la futura nanoelectrónica.
La nanotecnología está avanzando rápidamente y ganando un interés generalizado en industrias como las comunicaciones y la generación de energía. En la nanoescala (equivalente a una millonésima de milímetro) las partículas obedecen las leyes de la mecánica cuántica. Utilizando estas propiedades, se pueden diseñar materiales para que presenten una conductividad, un magnetismo y una eficiencia energética mejorados.
“Hoy somos testigos del impacto real de la nanotecnología: los dispositivos a nanoescala son tecnología rápida y las nanoestructuras hacen que los materiales sean más eficientes para la producción de energía”, dijo Janine Spletstosser, profesora de Física Cuántica Aplicada en Chalmers.
Dispositivos más pequeños que las células humanas desbloquean nuevas propiedades electrónicas y termoeléctricas
Para reducir el flujo de carga y energía al nivel de un solo electrón, los investigadores utilizan los llamados dispositivos a nanoescala, sistemas más pequeños que las células humanas. Estos sistemas nanoelectrónicos pueden actuar como “pequeños motores” que realizan tareas específicas, explotando propiedades de la mecánica cuántica.
“A nanoescala, los dispositivos pueden tener propiedades completamente nuevas y deseables. Estos dispositivos, que son entre cien y diez mil veces más pequeños que una célula humana, permiten diseñar procesos de conversión de energía altamente eficientes”, afirma Ludovico Tesser, estudiante de doctorado en Applied Quantum. Física en la Universidad Tecnológica de Chalmers.
Navegar por el nanoruido: un desafío crítico
Sin embargo, el ruido supone una barrera importante para el progreso de esta investigación en nanotecnología. Este ruido molesto se genera por fluctuaciones de carga eléctrica y efectos térmicos dentro del dispositivo, lo que dificulta un rendimiento preciso y confiable. A pesar de grandes esfuerzos, los investigadores aún tienen que determinar qué cantidad de este ruido se puede eliminar sin interrumpir la conversión de energía, y nuestra comprensión de sus mecanismos sigue siendo limitada. Pero ahora un equipo de investigación de Chalmers ha logrado dar un paso importante en la dirección correcta.
En su estudio reciente, publicado como Consejo del editor carta de revisión físicaInvestigaron motores térmicos termoeléctricos a nanoescala. Estos dispositivos especializados están diseñados para controlar y convertir el calor residual en energía eléctrica.
“Todos los componentes electrónicos emiten calor y, más recientemente, a nivel nano, se han dedicado muchos esfuerzos a comprender cómo convertir este calor en energía útil. Los motores térmicos termoeléctricos en miniatura aprovechan las propiedades de la mecánica cuántica y los efectos no térmicos y, como Las centrales eléctricas en miniatura no desperdician calor y se pueden convertir en energía eléctrica”, afirma el profesor Spletstosser.
Equilibrando el ruido y la energía en motores térmicos a nanoescala
Sin embargo, los motores térmicos termoeléctricos a nanoescala funcionan mejor cuando se los somete a diferencias de temperatura significativas. Estas variaciones de temperatura añaden mayor complejidad al ya desafiante ruido que los investigadores estudian y comprenden. Pero ahora, los investigadores de Chalmers han podido arrojar luz sobre un equilibrio crítico entre ruido y potencia en los motores térmicos termoeléctricos.
“Podemos demostrar que existe una limitación fundamental del ruido que afecta directamente el rendimiento del ‘motor’. Al aclarar la relación, cuánto ruido se debe tolerar para extraer una cierta cantidad de energía de estos motores a nanoescala, esperamos que estos Los resultados pueden servir de guía. El sector avanza hacia el diseño de dispositivos termoeléctricos a nanoescala con alta precisión”, afirma Ludovico Tesser.