En ingeniería entrópica, los científicos controlan o utilizan inteligentemente el desorden (entropía) para mejorar el rendimiento de la materia. Esto significa crear materiales con el equilibrio adecuado de orden y desorden para funcionar de manera óptima.
A modo de ejemplo, pensemos en una habitación ordenada con baja entropía. En cambio, una habitación desordenada tiene una alta entropía. En esencia, la entropía es una medida del grado de desorden de un sistema. El concepto se aplica a menudo a las discusiones sobre energía y calor. .
Manipulación de entropía para un mejor rendimiento
La ingeniería entrópica se ha mostrado prometedora a la hora de mejorar diversas propiedades de los materiales, como la eficiencia termoeléctrica.
Por ejemplo, al introducir diferentes tipos de átomos en un material, los científicos pueden crear una cantidad controlada de desorden (alta entropía), que ayuda a dispersar las partículas que transportan calor y al mismo tiempo permite que fluyan las corrientes eléctricas.
Esto significa que el material puede evitar el movimiento del calor manteniendo una buena conductividad eléctrica. Las aleaciones Semi-Heisler son un ejemplo de este principio en acción. Estas aleaciones metálicas, optimizadas mediante la adición de metales adicionales, exhiben una alta entropía que bloquea la transferencia de calor y mejora su capacidad. generar electricidad a partir del calor.
La ingeniería entrópica también desempeña un papel en la comprensión de los sistemas biológicos, como el plegamiento de proteínas, un desafío importante en la biología molecular y la biofísica. Las proteínas pasan de un estado caótico y desplegado (alta entropía) a una estructura funcional estable (baja entropía).
La energía liberada durante la formación del enlace equilibra la disminución de la entropía, estabilizando la proteína. Un plegado incorrecto puede provocar enfermedades como la enfermedad de Alzheimer, por lo que la investigación en esta área es importante para desarrollar mejores tratamientos.
¿Por qué permanecen en el laboratorio materiales prometedores de alta entropía?
A pesar de los avances significativos, los materiales de alta entropía enfrentan desafíos en aplicaciones prácticas a gran escala. Un estudio de 2022 realizado por Shifen Zhou en el Laboratorio Estatal Clave de Materiales y Dispositivos Luminiscentes destacó la necesidad de ir más allá de los principios tradicionales de diseño de materiales que se centran principalmente en la entalpía (. contenido energético).
El diseño de material convencional suele basarse en el principio de que uno o dos componentes principales forman la base y los elementos más pequeños sirven como componentes adicionales.
Este enfoque limita significativamente el alcance de la innovación material. Como se mencionó, la «ingeniería entrópica» representa un cambio de paradigma; cuando el número de componentes principales excede un cierto umbral, la evolución estructural durante la preparación del material está impulsada por características entrópicas. En este escenario, los materiales evitan la formación de compuestos entre componentes y, en cambio, se transforman en una sola fase.
El estudio destaca que los avances en aleaciones de alta entropía y materiales cerámicos han ampliado enormemente sus aplicaciones.
Sin embargo, ¿es este enfoque rentable? Aunque los materiales de alta entropía tienen excelentes propiedades materiales y son teóricamente de considerable valor en muchos campos, la investigación actual sobre materiales de alta entropía todavía se centra en gran medida en laboratorios y aún no ha logrado una aplicación generalizada en la ingeniería práctica. ”, dijo el investigador. ingeniería interesante.
También enfatizó que muchos países ahora clasifican los materiales de alta entropía como recursos estratégicos.
Nuevos materiales de alta entropía están superando los límites de la conversión de energía
Un estudio de 2022 informó sobre las primeras nanopartículas de alta entropía confinadas cuánticamente, abriendo nuevas clases de nanomateriales para fotónica, optoelectrónica, fotocatálisis y conversión de energía termoeléctrica.
David Lewis, jefe del Departamento de Materiales de la Universidad de Manchester, destacó el potencial de los dispositivos generadores de energía como las células solares y las termoeléctricas.
«Recientemente informamos por primera vez sobre la síntesis de calcogenuro de alta entropía en forma de película delgada. Estamos muy entusiasmados con esto, porque esta es la forma funcional de muchos dispositivos de generación de energía, como las células solares y las termoeléctricas de película delgada». Lewis le dijo a IE.
El estudio desarrolló películas delgadas de alta entropía con diferentes composiciones metálicas que muestran versatilidad en aplicaciones catalíticas y relacionadas con la energía.
Cuando se le preguntó sobre la eficacia de la ingeniería entrópica y las estrategias para optimizar materiales para la conversión de energía y la sostenibilidad, Lewis destacó las muchas oportunidades para la producción de energía sostenible.
Entre ellas se incluyen aplicaciones en termoelectricidad, electrocatálisis, baterías, almacenamiento de energía y cerámica elástica, añadió, añadiendo que la lista de aplicaciones nuevas e inesperadas para estos materiales sigue ampliándose cada día.
Los generadores termoeléctricos convierten el calor residual en electricidad, lo que los hace útiles para recuperar energía de los vehículos que generan calor. Un estudio publicado en septiembre de 2024 demostró que estos dispositivos pronto podrían competir en eficiencia con otras fuentes de energía renovables.
Utilizando materiales de alta entropía, los investigadores han desarrollado materiales termoeléctricos que pueden alcanzar eficiencias de conversión de hasta el 15 por ciento, una mejora significativa con respecto al cinco o seis por ciento actual. Estos avances tienen un gran potencial para utilizar el calor residual en industrias y aplicaciones como las misiones espaciales. .
Fronteras futuras
Zhu explicó que la ingeniería entrópica puede limitarse a aleaciones cristalinas y materiales cerámicos. Los avances en la ingeniería entrópica requieren extender sus principios a materiales amorfos como el vidrio fotónico y desarrollar métodos eficaces para predecir las propiedades de los materiales.
Las simulaciones teóricas, la inteligencia artificial y herramientas similares pueden identificar componentes óptimos para materiales de alto rendimiento, acortando significativamente el ciclo de investigación y desarrollo. Sin embargo, el costo relativamente alto de la preparación del material sigue siendo una barrera para las aplicaciones prácticas de ingeniería.
Para superar esto, las aplicaciones innovadoras deben impulsar la creación de nuevos requisitos de materiales, liderando el uso en ingeniería de materiales de alta entropía y liberando todo su potencial.
Según un estudio de mercado realizado por Business Research, se espera que el mercado mundial de aleaciones de alta entropía crezca de 54,7 millones de dólares en 2022 a 486 millones de dólares en 2032.
Los materiales de alta entropía ofrecen un nuevo paradigma en la ciencia de los materiales al controlar de manera sostenible el caos. Desde la mejora de la eficiencia termoeléctrica hasta aplicaciones líderes en nanotecnología y sistemas biológicos, la ingeniería entrópica es la clave para desbloquear soluciones innovadoras para el futuro.
