Condução de calor é controlada eletricamente por quasipartícula

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/02/2023

Agora a equipe pretende usar a teoria para encontrar materiais onde esse efeito seja o mais forte possível.
[Imagem: Brandi L. Wooten - 10.1126/sciadv.add7194]

Quasipartícula transfere calor sob controle elétrico

Cientistas acreditam ter descoberto o segredo por trás de uma das propriedades tecnologicamente mais interessante de uma classe de materiais sólidos conhecidos como ferroelétricos.

O material estudado pela equipe é uma cerâmica bem conhecida de titanato de zircônio e chumbo, pertencente a uma classe de materiais chamados piezoelétricos, que mudam de forma quando um campo elétrico é aplicado a eles ou produzem uma carga elétrica sob estresse mecânico.

Os ferroelétricos, um subconjunto dos piezoelétricos, são materiais nos quais as cargas elétricas nos átomos podem formar espontaneamente dipolos elétricos que se alinham na mesma direção, formando o que é conhecido como polarização. Esses dipolos podem ser invertidos com a aplicação de um campo elétrico. Contudo, até agora os cientistas não compreendiam bem como essa polarização se move na presença do calor.

Brandi Wooten e seus colegas da Universidade do Estado de Ohio, nos EUA, descobriram que quasipartículas movendo-se em padrões ondulados entre os átomos desses materiais carregam calor suficiente para transformar o material em um interruptor térmico, bastando para isso aplicar um campo elétrico.

Em termos práticos, com o uso de um simples estímulo elétrico externo, a condutividade térmica neste tipo de material pode ser alterada à temperatura ambiente, em lugar das temperaturas criogênicas necessárias para controlar a maioria dos materiais candidatos a interruptores de calor de estado sólido, aumentando as possibilidades de aplicações da tecnologia no mundo real.

As quasipartículas responsáveis pelo fenômeno foram batizadas de ferrons.
[Imagem: Brandi L. Wooten - 10.1126/sciadv.add7194]

Ferrons

A descoberta chave é que o controle da condutividade termal dos ferroelétricos é atribuível à estrutura do material, e não a colisões aleatórias entre os átomos.

"As pessoas tendem a pensar que as vibrações dos átomos são um fato e não respondem a um campo elétrico ou magnético. E estamos dizendo que você pode afetá-los com um campo elétrico," disse o professor Joseph Heremans, coordenador da equipe.

Os pesquisadores atribuíram esse mecanismo a quasipartículas que eles chamam de ferrons, cuja polarização muda à medida que "se movem" entre os átomos em seu incessante comportamento vibratório - e são essas oscilação e polarização ordenadas, receptivas ao campo elétrico aplicado externamente, que determinam a taxa com que o material transfere calor.

"A quasipartícula sempre esteve lá. Ela simplesmente não havia sido identificada e medida," disse Wooten.

E a nova descrição teórica é preditiva, ou seja, os pesquisadores podem usá-la para encontrar materiais onde o efeito é muito maior, levando a materiais onde ele seja grande o suficiente para ser usado em interruptores de calor em aplicações cotidianas, como na coleta de energia solar ou na refrigeração de computadores.

E, segundo a teoria, é possível a existência de materiais onde a condutividade termal poderá ser alterada eletricamente em até 15%.