Interruptor termal liga e desliga o calor

Redação do Site Inovação Tecnológica - 14/07/2022

O material pode ser controlado por eletricidade ou por calor.
[Imagem: Kiumars Aryana et al. - 10.1038/s41467-022-29023-y]

Interruptor de calor

Um material conhecido e largamente usado no campo da microeletrônica e da geração termoelétrica também pode funcionar como um controlador eficiente para a passagem de calor.

Essa nova classe de material cria a possibilidade de se aumentar ou diminuir a condutividade térmica sob demanda, transformando um isolante térmico em um condutor térmico e vice-versa.

Uma chave liga/desliga para o calor terá aplicações em larga escala, dos dispositivos eletrônicos e geradores de energia até a construção de edifícios mais verdes e novas tecnologias espaciais - já existem interruptores para desligar o calor, mas aqui se trata de um único material de estado sólido.

O controle bidirecional do calor por meio de condutores térmicos ajustáveis será especialmente útil em satélites artificiais e robôs espaciais, que precisam operar em temperaturas extremas, suportando o calor quando estão voltados para o Sol e o frio do espaço quando estão no lado noturno.

"Este novo modo de gerenciamento de calor é substancialmente menos complexo e significa que a regulação de calor é mais fácil de gerenciar - e mais rápida. Onde um radiador ou isolamento leva muito tempo para iniciar o aquecimento ou resfriamento, o mecanismo de estado sólido seria quase instantâneo. Ser capaz de acompanhar as rápidas mudanças de temperatura também torna as coisas mais seguras. Como o aquecimento e o resfriamento podem ser monitorados, as chances de o calor ou o frio causar mau funcionamento - ou coisa pior - diminuem," disse Kiumars Aryana, da Universidade da Virgínia, nos EUA.

Confirmado o efeito em amostras ultrapuras, o trabalho agora é de engenharia, para obter dispositivos práticos.
[Imagem: Kiumars Aryana et al. - 10.1038/s41467-022-29023-y]

Condutividade térmica ajustável

O condutor termal controlável descoberto por Aryana é uma amostra muito pura de zirconato de chumbo (PbZrO₃), um material antiferroelétrico.

Um material ferroelétrico é como um ímã, exceto que, em vez de um pólo norte e sul, ele apresenta uma carga positiva e outra negativa. Basta submetê-lo a um campo elétrico para que ele inverta sua polaridade para o estado oposto, que ficará estável até que seja aplicado outro pulso elétrico.

Em um material antiferroelétrico, porém, podem atuar tanto um campo elétrico quanto o calor.

"Normalmente, a condutividade térmica é considerada uma propriedade estática do material. Se você deseja transformar um condutor térmico em um isolante, é necessário alterar permanentemente sua estrutura ou integrá-lo a um novo material," explicou o professor Patrick Hopkins.

Mas não foi o que a equipe registrou quando usou uma amostra ultrapura do zirconato de chumbo.

"O que esse interessante material faz, além de ser um cristal de alta qualidade que possui tendências de condutividade térmica como um vidro amorfo, e de ser de estado sólido, é nos dar dois botões exclusivos para alterar a condutividade térmica," disse Hopkins. "Podemos aquecer rapidamente o cristal com um laser ou aplicar tensão [elétrica] para ajustar ativamente a condutividade térmica e o transporte de calor."

Com um único pulso de laser, a equipe alcançou uma alteração bidirecional de 38% na condutividade térmica do material.

Antiferroelétrico

As estruturas dos materiais antiferroelétricos são bidirecionais por natureza. Na menor unidade de repetição da rede cristalina, uma metade tem uma polaridade apontando para cima e a outra metade apontando para baixo, de modo que as cargas positivas e negativas se cancelam.

Quando aquecida, a estrutura cristalina muda e a antiferroeletricidade desaparece, aumentando a condutividade térmica. A aplicação de um campo elétrico faz o oposto - faz com que o material se transforme em ferroelétrico e a condutividade térmica diminua. A polaridade da rede retorna a zero quando a tensão é removida.

Para causar o impacto esperado nas tecnologias, a equipe agora precisará construir um interruptor liga/desliga do calor que seja maior, para mover ou armazenar rapidamente uma porcentagem ainda maior de calor. Os próximos passos incluirão definir melhor as possibilidades e limitações do material, eventualmente projetando um novo material composto com taxas de comutação mais altas, abrindo caminho para materiais de condutividade térmica ativamente ajustáveis.

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