La impresión 3D permite fabricar los dispositivos sin procesos de mecanizado intensivos, evitando el alto consumo energético y la generación de residuos.
Materiales de enfriamiento desde la impresora 3D
El manejo eficiente del calor es esencial para el desarrollo de dispositivos electrónicos avanzados y puede tener aplicaciones en campos como los materiales portátiles y el tratamiento de quemaduras. Los materiales termoeléctricos, capaces de convertir diferencias de temperatura en voltaje eléctrico y viceversa, representan una alternativa prometedora. Sin embargo, su eficiencia limitada y su producción costosa han sido obstáculos significativos. Ahora, un estudio publicado en Science por investigadores del Institute of Science and Technology Austria (ISTA) ha desarrollado una técnica de impresión 3D para fabricar materiales termoeléctricos de alto rendimiento, reduciendo considerablemente los costos de producción.
Refrigeración termoeléctrica: una solución sólida y sostenible
Los refrigeradores termoeléctricos, también llamados refrigeradores de estado sólido, inducen un enfriamiento localizado al transferir calor de un lado a otro de un dispositivo mediante una corriente eléctrica. Estos dispositivos ofrecen ventajas como larga vida útil, resistencia a fugas, flexibilidad en forma y tamaño, y la ausencia de partes móviles, lo que los hace ideales para aplicaciones en electrónica. No obstante, su fabricación mediante lingotes ha sido históricamente costosa y con altos niveles de desperdicio de material. Además, su rendimiento sigue siendo un reto a mejorar.
Un equipo liderado por la profesora Maria Ibáñez, jefa del Werner Siemens Thermoelectric Laboratory, y con el investigador postdoctoral Shengduo Xu como primer autor, ha logrado fabricar materiales termoeléctricos mediante impresión 3D, creando un refrigerador termoeléctrico funcional. “Nuestra integración innovadora de la impresión 3D en la fabricación de refrigeradores termoeléctricos mejora significativamente la eficiencia de producción y reduce costos”, explica Xu. Además, en contraste con intentos previos, este método logra materiales con un rendimiento considerablemente superior. La profesora Ibáñez agrega: “Gracias a su desempeño a nivel comercial, nuestro trabajo no solo tiene relevancia académica, sino también potencial de aplicación en la industria.”
Superando los límites de las tecnologías termoeléctricas
Si bien todos los materiales poseen algún grado de efecto termoeléctrico, la mayoría es insuficiente para aplicaciones prácticas. Los materiales más eficaces suelen ser semiconductores degenerados, es decir, semiconductores dopados con impurezas para mejorar su conductividad. Hasta ahora, los refrigeradores termoeléctricos se han fabricado mediante técnicas basadas en lingotes, que requieren procesos de mecanizado intensivos, con altos costos energéticos y un gran desperdicio de material.
El equipo del ISTA ha logrado imprimir en 3D exactamente la forma necesaria de los materiales termoeléctricos, evitando estos procesos ineficientes. Como resultado, los dispositivos obtenidos muestran un efecto de enfriamiento neto de 50 grados Celsius en el aire, un rendimiento comparable al de dispositivos mucho más costosos. Esto supone una alternativa escalable y económica, que evita los procesos convencionales de fabricación con altos requerimientos energéticos y tiempos prolongados.
Materiales impresos con enlaces atómicos optimizados
Más allá de la técnica de impresión 3D, los investigadores diseñaron tintas especializadas que, al evaporarse el solvente portador, facilitan la formación de enlaces atómicos robustos entre los granos del material, creando una red interconectada a nivel atómico. Esta unión química mejora la transferencia de carga entre las partículas, lo que explica el alto rendimiento termoeléctrico logrado con estos materiales impresos.
“Utilizamos una técnica de impresión 3D basada en extrusión y diseñamos la formulación de la tinta para garantizar la estabilidad estructural y mejorar la unión entre partículas. Gracias a ello, logramos producir los primeros refrigeradores termoeléctricos impresos con un rendimiento comparable a los fabricados con lingotes, ahorrando material y energía”, señala Ibáñez.
Aplicaciones médicas, generación de energía y sostenibilidad
Más allá de su uso en electrónica y dispositivos portátiles, los refrigeradores termoeléctricos tienen potenciales aplicaciones médicas, como el tratamiento de quemaduras y el alivio de lesiones musculares. Además, el método desarrollado para la formulación de tintas podría adaptarse para fabricar generadores termoeléctricos de alta temperatura, dispositivos que generan electricidad a partir de diferencias térmicas. Esto permitiría ampliar la aplicación de los generadores termoeléctricos a diversos sistemas de recuperación de energía residual.
“Hemos implementado con éxito un enfoque integral, optimizando el rendimiento termoeléctrico de las materias primas y fabricando un producto final estable y de alto rendimiento”, explica Ibáñez. Xu añade: “Nuestro trabajo ofrece una solución innovadora para la producción de dispositivos termoeléctricos, marcando el inicio de una nueva era en tecnologías termoeléctricas eficientes y sostenibles”.
Más información: Shengduo Xu et al, La unión interfacial mejora el enfriamiento termoeléctrico en materiales impresos en 3D, Science (2025). DOI: 10.1126/science.ads0426
Vía ista.ac.at
