Sintetizado material que praticamente não conduz calor

Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/07/2021

Usando a química certa, é possível combinar dois arranjos atômicos (placas amarelas e azuis), que fornecem dois mecanismos diferentes para desacelerar o movimento do calor através de um sólido.
[Imagem: Un.Liverpool]

Calor e eficiência energética

Químicos descobriram um novo material inorgânico com a menor condutividade térmica que se conhece.

Esta descoberta abre caminho para o desenvolvimento de novos materiais termoelétricos, que convertem calor em eletricidade e que serão fundamentais para uma sociedade sustentável.

Além disso, o trabalho mostra um aspecto totalmente novo do fluxo de calor em escala atômica, mostrando como essa difusão pode ser manipulada ao se projetar novos materiais - não se esqueça que há pouco se descobriu que o calor também pode se propagar em ondas.

É por isso que os pesquisadores estão entusiasmados que a sua descoberta irá acelerar o desenvolvimento de novos materiais para converter o calor desperdiçado por máquinas e equipamentos em eletricidade.

O material é o Bi₄O₄SeCl₂, uma mistura de bismuto, oxigênio, selênio e cloro.

Para comparação, se considerarmos que a condutividade térmica do aço assume um valor arbitrário de 1, então uma barra de titânio teria uma condutividade térmica de 0,1, a água e um tijolo de construção de 0,01, enquanto o novo material se contenta com 0,001 - nessa comparação, o ar teria uma condutividade térmica de 0,0005.

"As implicações desta descoberta são significativas, tanto para a compreensão científica fundamental, quanto para aplicações práticas em dispositivos termoelétricos que coletam calor residual e como revestimentos de barreira térmica para turbinas a gás mais eficientes," disse o professor Matt Rosseinsky, da Universidade de Liverpool, no Reino Unido.

A equipe obteve um efeito sinergístico, melhor do que seria de se esperar pela mera soma dos dois materiais originais.
[Imagem: Quinn D. Gibson et al. - 10.1126/science.abh1619]

Manipulando a condutividade térmica

A equipe projetou e sintetizou o novo material de modo que ele combinasse dois arranjos diferentes de átomos, ambos - mas cada um a seu modo - já conhecidos por diminuir a velocidade com que o calor se move através da estrutura de um sólido.

Primeiro eles identificaram os mecanismos responsáveis pelo transporte mais lento do calor em cada um desses dois arranjos (BiOCl e Bi₂O₂Se) medindo e modelando as condutividades térmicas de duas estruturas diferentes, cada uma contendo um dos arranjos necessários.

Combinar esses mecanismos em um único material é difícil porque é preciso controlar exatamente como os átomos estão dispostos. A equipe então escolheu interfaces químicas favoráveis entre cada um desses diferentes arranjos atômicos, sintetizando experimentalmente um material que combina as duas.

Este novo material, com os dois arranjos combinados, tem uma condutividade térmica muito mais baixa do que qualquer um dos materiais originais.

"A descoberta emocionante deste estudo é que é possível otimizar a propriedade de um material usando conceitos físicos complementares e um interfaceamento atomístico apropriado. Além do transporte de calor, esta estratégia pode ser aplicada a outras propriedades físicas fundamentais importantes, como o magnetismo e a supercondutividade, levando a uma computação com menor consumo de energia e um transporte mais eficiente de eletricidade," concluiu o professor Jonathan Alaria.

Mais tópicos