Cerâmica transporta calor 3x mais rápido com controle elétrico

Via rápida para o calor

Desafiando o saber científico majoritário sobre o controle do fluxo de calor nos materiais sólidos, cientistas descobriram que uma família de cerâmicas oferece uma nova forma de controlar como o calor flui, aumentando sua intensidade em até três vezes.

Puspa Upreti e colegas do Laboratório Nacional Oak Ridge, nos EUA, descobriram que aplicar um campo elétrico a um material cerâmico altera o comportamento dos fônons, as pequenas vibrações responsáveis pelo transporte do calor e do som. Quando os átomos se movimentam na direção do campo elétrico (direção de polarização), os fônons duram mais tempo do que aqueles envolvendo átomos que se movem perpendicularmente ao campo. Como resultado, o material conduz calor quase três vezes mais eficientemente na direção do campo elétrico do que em direções perpendiculares.

Essa abordagem pode levar ao desenvolvimento de novos dispositivos de estado sólido que controlem o fluxo de calor em tecnologias do dia a dia, dos computadores aos sistemas de refrigeração. Controlar o fluxo de calor é importante para sistemas de alto desempenho, como refrigeradores de estado sólido, conversores termoelétricos (transformam calor em eletricidade), chips e sistemas de cogeração, que capturam e reaproveitam o calor industrial.

“Ser capaz de controlar tanto a velocidade quanto a forma como o calor flui pode levar a dispositivos que gerenciam a energia térmica de forma muito mais eficiente,” disse Upreti.

Controle do fluxo de calor

A relação entre eficiência e fluxo de calor é demonstrada pelo ciclo de Carnot, um modelo idealizado de uma máquina térmica que atinge a máxima eficiência possível controlando com precisão a transferência de calor entre reservatórios quentes e frios.

A grande descoberta feita agora é que um campo elétrico externo remove as barreiras ao transporte de fônons, permitindo que as vibrações se propaguem por distâncias maiores, melhorando a condução de calor na direção do campo elétrico, o que leva a uma maior eficiência.

Os experimentos foram feitos em um tipo especial de cerâmica chamada ferroelétrica relaxora. Quando essas cerâmicas são expostas a um campo elétrico, minúsculas cargas elétricas em seu interior se alinham, e esse alinhamento reduz a dispersão das vibrações que transportam calor, permitindo que a energia flua com mais eficiência. Para levar esse comportamento ao limite, a equipe sintetizou cristais muito puros, que demonstraram a criação de sólidos que possibilitam o controle preciso do fluxo de calor.

“Trabalhos anteriores com materiais ferroelétricos em massa alcançaram melhorias modestas na condutividade térmica, de 5% a 10%, enquanto as novas medições revelam um aumento próximo a 300% – principalmente porque os fônons conseguem viajar por distâncias muito maiores antes de pararem,” resumiu o professor Michael Manley.