Un equipo internacional en el que participan físicos de la Universidad Autónoma de Madrid y el instituto IMDEA-Nanociencia ha identificado y caracterizado la primera molécula bitermoeléctrica conocida: el fullereno Sc₃N@C₈₀, que además de una esfera de carbonos, incluye escandio y nitrógeno. Los experimentos evidencian que es posible modificar las propiedades termoeléctricas de estas moléculas mediante su orientación y la presión ejercida sobre ellas.

Más de la mitad de la energía mundial se desperdicia en forma de calor. Los materiales termoeléctricos, que convierten el calor directamente en electricidad, son una solución idónea para la recuperación de parte de este calor residual. Sin embargo, los materiales disponibles actualmente tienen un rendimiento limitado, un elevado coste y una excesiva toxicidad.

La búsqueda de materiales termoeléctricos orgánicos de bajo coste, eficaces y respetuosos con el medio ambiente constituye un activo campo de investigación, cuyos resultados podrían tener un gran impacto en nuestra sociedad. En este marco, investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid, el instituto IMDEA-Nanociencia y otros centros internacionales han realizado un estudio sobre el diseño y control de materiales bitermoeléctricos a base de fullerenos (esferas de carbonos) con otros elementos. El estudio se publica en la revista Nature Materials.

Los sistemas bitermoeléctricos son moléculas que pueden tener un coeficiente termoeléctrico tanto positivo como negativo, dependiendo de su orientación y en las que es posible, además, modificar su valor ejerciendo presión sobre ellas. El coeficiente termoeléctrico o coeficiente Seebeck es una medida del voltaje que aparece por grado de temperatura aplicado y su signo depende de los portadores de carga en el sistema (los electrones o huecos). El signo de este coeficiente proporciona información muy valiosa sobre el tipo de transporte que tiene lugar a través de la molécula.

En este caso, los investigadores han desarrollado un fullereno endohédrico, dentro del que se introduce otra molécula mediante síntesis química. En concreto, la molécula Sc₃N@C₈₀, con 80 átomos de carbono (C), tres átomos de escandio (Sc) y un átomo de nitrógeno (N).

Para estudiar las propiedades de transporte en moléculas individuales se utilizó un microscopio de efecto túnel (o STM, por sus siglas en inglés). Es una herramienta muy potente que permite, utilizando una punta de oro como electrodo, visualizar las moléculas depositadas en una superficie también de oro (segundo electrodo) y, posteriormente, tocarlas y caracterizar el transporte eléctrico. Además, calentando la punta del STM unos 40°C por encima de la temperatura ambiente, y estableciendo una diferencia de temperatura entre los dos electrodos, es posible medir termoelectricidad en uniones moleculares individuales.

Las uniones moleculares formadas por Sc₃N@C₈₀ presentan diferente comportamiento termoeléctrico con portadores de carga negativa (electrones), ya que éstos se desplazan en un sentido u otro, dependiendo de la orientación de cada molécula. Además, es posible modificar las propiedades de transporte de estas moléculas ejerciendo presión sobre ellas con la punta del STM.

Orientación en una superficie de oro

“La orientación de las moléculas en la superficie de oro determina que la corriente eléctrica pase en uno u otro sentido, lo que fija el signo del coeficiente Seebeck; y, mediante la presión, se observa que el valor de este coeficiente se vuelve siempre más negativo. De esta forma, si su valor es inicialmente positivo, puede tener lugar un cambio de signo al ejercer presión. La clave de este comportamiento tan peculiar consiste en la aparición de una resonancia de transporte situada en la molécula metálica dentro del fullereno y a la cual son sensibles los electrones que pasan por la molécula”, explican los miembros del equipo.

Este hallazgo abre la puerta al estudio de un nuevo tipo de materiales que puede permitir importantes avances en aplicaciones tecnológicas de recuperación de calor, sensores o sistemas de refrigeración. Al ser un único material el que muestra ambos comportamientos termoeléctricos, puede resultar más fácil eliminar problemas de acoplo, ya que sólo requiere el desarrollo de superficies adecuadas que permitan fijar, preferentemente, la orientación de las moléculas.

El objetivo es conseguir materiales adecuados, con una eficiencia óptima, de forma que el uso de dispositivos termoeléctricos ayude a resolver el gran reto que suponen las elevadas pérdidas energéticas actuales.

Además de  los físicos del Centro de Investigación de Física de la Materia Condensada (IFIMAC) de la UAM y de IMDEA-Nanociencia, en este trabajo participaron otros científicos de la Universidad de Lancaster y de la Universidad de Oxford  en el Reino Unido.