Mecânica

Calor é manipulado como se fosse luz

Calor é manipulado como a luz
Essa "lente para calor" já consegue manipular até 40% de todas as ondas de calor, concentrando-as como uma lente concentra a luz. [Imagem: Martin Maldovan]

Domando o calor

Há muito tempo os cientistas tentam domar o calor, seja para retirá-lo de onde ele é indesejado, seja para reaproveitá-lo na geração de eletricidade, ou mesmo para marcar o tempo.

Tudo isso, e muito mais, agora ficou mais próximo da realidade graças ao trabalho do Dr. Martin Maldovan, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, nos Estados Unidos.

Maldovan descobriu uma forma de lidar com o calor da mesma forma que a luz, permitindo que o calor seja manipulado por lentes e espelhos, dispersando-o ou focalizando-o.

Fônons

Assim como o som, o calor é uma vibração da matéria - tecnicamente ele é uma vibração da rede atômica de um material.

Essas vibrações podem ser descritas como um feixe de fônons, uma espécie de "partícula virtual", análoga aos fótons que transmitem a luz.

Usando essa analogia, Maldovan descobriu que é possível adaptar para o calor um tipo de nanoestrutura, conhecida como cristais fotônicos - que vem realizando verdadeiros milagres no campo da óptica e da acústica.

Ele utilizou especificamente os cristais fonônicos - que manipulam fônons, em lugar de fótons - cujos espaçamentos são construídos para equivaler precisamente ao comprimento de onda dos fônons de calor.

"É uma forma completamente nova de manipular o calor," diz Maldovan, explicando que o calor difere do som na frequência das suas vibrações: o som é formado por vibrações de baixa frequência, até a faixa dos kilohertz (milhares de vibrações por segundo), enquanto o calor é formado por vibrações de altíssima frequência, na faixa dos terahertz (trilhões de vibrações por segundo).

Calor hipersônico

Para adaptar para o calor a técnica que já vem sendo usada para manipular o som, Maldovan teve primeiro que reduzir a frequência dos fônons, criando o que ele chama de "calor hipersônico".

Usando uma retícula feita de ligas de silício e nanopartículas de germânio de dimensões muito precisas, o pesquisador conseguiu reduzir a larga banda de frequências do calor, concentrando mais de 40% deles na faixa hipersônica entre 100 e 300 gigahertz.

Em linhas gerais, a estrutura torna o calor mais "parecido" com o som, permitindo sua manipulação.

Com isto, a maioria dos fônons de calor se alinhou em um feixe estreito, em vez de se espalhar em todas as direções - um análogo do que uma lente faz com a luz.

Como os cristais fonônicos estão agora sendo usados para manipular o calor, Maldovan rebatizou sua versão dessas nanoestruturas de termocristais, criando uma nova categoria de materiais.

Termocristais

Os termocristais terão uma ampla gama de utilizações, incluindo melhores dispositivos termoelétricos, que convertem calor em eletricidade, e diodos termais, componentes que permitirão que o calor flua em apenas uma direção.

Os diodos termais, ao impedir que o calor dê marcha-a-ré, serão úteis no isolamento térmico de edifícios, tanto em climas quentes, quanto em climas frios.

Outra possibilidade será o melhoramento das recém-demonstradas camuflagens termais, que impedem a visualização do calor por câmeras infravermelhas.

Bibliografia:

Narrow Low-Frequency Spectrum and Heat Management by Thermocrystals
Martin Maldovan
Physical Review Letters
Vol.: 110, 025902
DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.025902




Outras notícias sobre:

Mais Temas