Lei de Kirchhoff da radiação térmica é quebrada depois de 165 anos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 26/06/2025

a) Esquema da emissão e absorção não recíprocas. (b) Imagem de microscópio eletrônico de varredura da estrutura multicamadas. (c) Esquema do experimento. (d, e) Gráficos de emissividade. (f, g) Espectros reais de emissividade e polarização.
[Imagem: Zhenong Zhang et al. - 10.48550/arXiv.2501.12947]

Quebra da Lei de Kirchhoff

Uma "lei" de radiação térmica, considerada verdadeira há 165 anos, acaba de cair por terra (ela havia sido ligeiramente contornada antes), o que está sendo comemorado pelos cientistas porque a descoberta prepara o cenário para tecnologias mais eficientes de coleta de energia, transferência de calor e detecção infravermelha.

A chamada lei de Kirchhoff da radiação térmica é um conceito desenvolvido pelo físico alemão Gustav Kirchhoff [1824-1887] em 1860, que afirma que as eficiências de absorção e a emissividade de um material são iguais em cada comprimento de onda e ângulo de incidência.

Em outras palavras, a capacidade de um material absorver radiação eletromagnética - uma onda de energia na forma de luz solar ou raios X, por exemplo - em um determinado comprimento de onda e ângulo deve ser igual à sua capacidade de emitir radiação no mesmo comprimento de onda e ângulo. Isso é conhecido como relação recíproca.

A lei de Kirchhoff começou a ruir dois anos atrás, quando uma equipe do Instituto de Tecnologia da Califórnia criou um material que não se comporta de acordo com ela.

Mas agora Zhenong Zhang e colegas da Universidade do Estado da Pensilvânia demonstraram uma quebra dramática da lei. Essa quebra mais forte significa que agora é possível alcançar possibilidades do mundo real que antes não eram viáveis.

A lei da Kirchhoff já havia sido contornada por um dispositivo específico, mas agora ela foi quebrada de modo mais geral.
[Imagem: Shayegan et al. - 10.1038/s41566-023-01261-6]

Não reciprocidade

A demonstração anterior de emissão e absorção não recíprocas não alcança um contraste elevado entre a emissividade e a absortividade, nem tampouco em uma ampla faixa de comprimento de onda, ambas condições necessárias para aplicações práticas baseadas em materiais não recíprocos.

"A capacidade de violar fortemente a lei de Kirchhoff não só proporciona uma maneira radicalmente nova de controlar a radiação térmica, como também pode aprimorar fundamentalmente as aplicações de energia e sensoriamento," disse Zhang. "No caso das células solares recíprocas para coleta de energia solar, por exemplo, a célula solar precisa emitir energia óptica de volta para o Sol, conforme exigido pela lei de Kirchhoff. Essa parte da energia que retorna ao Sol é desperdiçada."

"No entanto, se pudermos ter emissores não recíprocos, podemos direcionar a emissão para uma direção diferente. Então, poderíamos instalar outra célula solar ali para absorver essa parte da energia, aumentando a eficiência geral de conversão de energia. Tal estratégia tem sido teoricamente apontada para permitir a coleta de energia solar dentro dos limites de eficiência termodinâmica," acrescentou o pesquisador.

A não reciprocidade é medida em parâmetros adimensionais, o que significa que os limites do sistema não afetam a medição resultante - a diferença entre o que foi realmente absorvido e o que foi realmente emitido. Em um sistema verdadeiramente recíproco, o contraste esperado entre emissividade e absortividade seria zero.

"Em nosso trabalho, observamos o contraste mais forte como 0,43, e também há um contraste substancial em uma ampla faixa de comprimento de onda, de 10 micrômetros. A forte emissão não recíproca obtida aponta para um grande potencial para aplicações," destacou o professor Linxiao Zhu.

A descoberta tem implicações para o desenvolvimento de supercapacitores e baterias, além de um forte impacto no campo da energia solar.
[Imagem: Filipe Henrique et al. - 10.1073/pnas.2401656121]

Aplicações práticas

O emissor não recíproco construído pela equipe consiste em uma película muito fina, que pode ser transferida para outras superfícies, o que a diferencia dos experimentos anteriores, além de permitir a integração de dispositivos.

São cinco camadas de materiais semicondutores (InGaAs), cada uma com composições ligeiramente diferentes, mas a equipe acredita que não há limitações intrínsecas para o uso de outros materiais - as heterojunções InGaAs são largamente utilizadas em dispositivos eletrônicos e fotônicos.

"Nosso material é cultivado com uma espessura total de cerca de dois micrômetros, mais fina que um fio de cabelo," contou Alireza Dehaghi, membro da equipe. "Em nosso trabalho, possibilitado pelo sistema de materiais que escolhemos, transferimos a película fina em microescala para outro substrato, o que significa que ela pode ser transferida para vários tipos de dispositivos para aumentar a eficiência na conversão de energia, transferência de calor e outras aplicações."

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