Metal vira termoelétrico graças a engarrafamento de elétrons

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/06/2025

Portadores de carga positivos e negativos se movem em velocidades diferentes - como carros em uma rodovia quando há engarrafamento em uma das pistas.
[Imagem: TU Wien]

Efeito Seebeck

Muito antes de explorarmos o uso da eletricidade para aquecer as coisas, convertendo energia elétrica em calor, Thomas Seebeck [1770-1831] demonstrou que o contrário também é possível - graças a determinados materiais, chamados termoelétricos, é possível converter calor diretamente em eletricidade, sem geradores, sem turbinas ou qualquer outro aparato mecânico.

Contudo, enquanto a primeira opção está por todos os lugares, dos fogões e chuveiros elétricos às grandes caldeiras industriais, o chamado efeito Seebeck permanece largamente inexplorado devido à baixa eficiência dos materiais termoelétricos disponíveis.

Agora, Fabian Garmroudi e colegas da Universidade Técnica de Viena, na Áustria, descobriram um truque que lhes permitiu aumentar significativamente o desempenho dos termoelétricos: Eles usaram metais, em vez dos tradicionais semicondutores.

O efeito Seebeck se baseia no fato de que a mobilidade dos portadores de carga positiva (lacunas) e negativa (elétrons) depende tanto do material quanto da temperatura em que esse material se encontra. "Vamos supor que temos um semicondutor no qual apenas cargas elétricas negativas podem se mover," explica o professor Andrej Pustogow. "Inicialmente, elas são distribuídas uniformemente por todo o material, que é eletricamente neutro em todos os lugares. No entanto, se um lado for aquecido e o outro resfriado, os portadores de carga negativa se movem mais rápido e mais longe no lado quente, de modo que haverá menos carga negativa ali do que no lado frio."

Isso cria uma diferença de tensão a partir da qual a energia elétrica pode ser obtida.

A mobilidade dos portadores de carga depende da temperatura e do material.
[Imagem: Fabian Garmroudi et al. - 10.1103/PhysRevX.15.021054]

Termoelétrico metálico

Na maioria dos materiais metálicos tanto os portadores de carga positivos quanto os negativos podem se mover. Isso significa que ambos os tipos de portadores de carga móveis tendem a ser encontrados mais no lado frio do que no lado quente. "Positivo e negativo se equilibram, então nenhuma tensão é gerada dessa forma," disse Pustogow. "É por isso que os materiais metálicos raramente eram considerados em relação ao efeito termoelétrico."

Contudo, a equipe agora conseguiu demonstrar que os metais podem na verdade ser excelentes termoelétricos. O truque crucial é garantir que os portadores de carga positivos e negativos se movam em velocidades diferentes.

"Você pode imaginar o movimento das cargas como se estivessem em uma rodovia," explica Pustogow. "As cargas positivas fluem na faixa da esquerda e as negativas na faixa da direita. Ao criar um congestionamento na faixa da esquerda, as cargas positivas ficam presas, enquanto as negativas fluem livremente na faixa da direita." Dessa forma, é possível obter excelentes termoelétricos, mesmo tendo portadores de carga positivos e negativos.

A equipe trabalhou com ligas de níquel, índio e estanho. O engarrafamento dos elétrons é criado incorporando portadores de carga imóveis adicionais ao material. Eles já haviam conseguido demonstrar que isso funciona com certas ligas de níquel-ouro já em 2023. "Agora, encontramos uma alternativa significativamente mais barata, sem ouro, em um composto de níquel e índio," contou Fabian Garmroudi, que identificou o novo material.

Em uma rede kagome, os portadores de carga ficam imobilizados devido a efeitos mecânicos quânticos, sendo então utilizados para otimizar o desempenho termoelétrico.
[Imagem: TU Wien]

Vale ouro - mas não é ouro

Em sua busca de alternativas mais baratas do que o ouro, os pesquisadores se depararam com os chamados metais kagome. O termo "kagome" vem originalmente do japonês e se refere a cestos de bambu trançados com um padrão especial de hexágonos e triângulos que se tocam nas bordas.

"Surpreendentemente, existem materiais na natureza nos quais os átomos se organizam exatamente nesse padrão. Chamamos isso de 'frustração geométrica'. Por exemplo, ocorre que cargas elétricas podem se tornar extremamente imóveis e ficar presas dentro da estrela de kagome," explica Garmroudi.

Os pesquisadores conseguiram demonstrar que essa geometria kagome pode levar a um efeito Seebeck extremamente alto, consideravelmente maior do que o apresentado pelas ligas de níquel-ouro utilizadas anteriormente. Enquanto as cargas negativas fluem livremente em um metal kagome, o acúmulo de cargas positivas à temperatura ambiente permite uma eficiência altíssima: Os novos termoelétricos podem até mesmo superar os termoelétricos semicondutores de telureto de bismuto disponíveis comercialmente.

"Com esses metais kagome encontramos ouro, e agora estamos aprimorando sistematicamente suas propriedades termoelétricas com nossa especialização em ajuste de frustração geométrica," anunciou Pustogow, cuja equipe estuda materiais frustrados há anos, já tendo descoberto, por exemplo, que o magnetismo pode ser controlado ativamente por pressão.

Mais tópicos