Pesquisadores do Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia, trabalhando com a Ohio State University e a Amphenol Corporation, descobriram uma nova maneira surpreendente de controlar como o calor se move através de materiais sólidos. Suas descobertas desafiam suposições de longa data sobre a transferência de calor e podem levar a sistemas de resfriamento, dispositivos de energia e tecnologia eletrônica mais eficientes.
Publicado em Energia PRXpesquisas mostraram que a aplicação de um campo elétrico a uma cerâmica especializada altera o comportamento dos fônons, as minúsculas vibrações atômicas responsáveis pela transferência de calor. Quando os átomos vibram na mesma direção do campo elétrico (direção da polaridade), esses fônons persistem por muito mais tempo do que as vibrações que os atravessam. Como resultado, o calor se espalha quase três vezes mais eficientemente ao longo da direção do campo elétrico do que em outras direções.
“Ser capaz de controlar a taxa e o modo do fluxo de calor pode levar a dispositivos que gerenciam a energia térmica com muito mais eficiência”, disse Puspa Upreti, cientista pesquisador do ORNL.
Por que o controle de calor é importante
A capacidade de direcionar o calor com eficiência é crítica para muitas tecnologias avançadas. Estes incluem sistemas de refrigeração eletrónica de estado sólido sem peças móveis, dispositivos que convertem calor em eletricidade, chips eletrónicos e sistemas de cogeração que capturam e reutilizam o calor residual de processos industriais.
Um melhor controle sobre a transferência de calor pode melhorar o desempenho e a eficiência energética. O conceito é ilustrado pelo ciclo de Carnot, um modelo idealizado que determina a máxima eficiência teórica de uma máquina térmica regulando cuidadosamente a transferência de calor entre regiões quentes e frias.
No novo estudo, o campo elétrico reduziu os obstáculos que normalmente impedem o movimento dos fônons. Isso permitiu que as vibrações que transportam calor se propagassem ainda mais através do material, de forma semelhante a aliviar engarrafamentos em uma rodovia movimentada, resultando em uma condução de calor muito mais eficiente na direção do campo elétrico.
Experimentos com nêutrons revelam o movimento dos átomos
Para entender exatamente o que está acontecendo dentro do material, a equipe conduziu experimentos na Spallation Neutron Source, um escritório científico do Departamento de Energia dos EUA operado pelo ORNL.
Usando métodos modernos de espalhamento inelástico de nêutrons, os pesquisadores observaram a posição dos átomos no cristal e como esses átomos se moviam. Os neutrões são especialmente adequados para este tipo de análise porque podem revelar tanto a estrutura de um material como a sua dinâmica atómica, recorrendo a técnicas reconhecidas no trabalho vencedor do Prémio Nobel de Clifford Shull e Bertram Brockhaus.
As medições mostraram que a aplicação de um campo elétrico não apenas aumenta a velocidade dos fônons, mas também aumenta significativamente sua vida útil antes da dispersão. Essa vida mais longa é a principal razão pela qual o material é um condutor de calor muito melhor.
Cerâmica com excelente transferência de calor
Os pesquisadores se concentraram em uma classe de cerâmica conhecida como ferroelétrica à base de relaxante. Sob a influência de um campo elétrico, as minúsculas cargas elétricas desses materiais ficam alinhadas. Este alinhamento reduz a dispersão dos fônons transportadores de calor, permitindo que a energia térmica se mova através do cristal com muito mais eficiência.
Os cristais usados nos experimentos foram cuidadosamente cultivados e depois expostos a um campo elétrico, ou “pólo”, por Rafi Sahul, da Amphenol Corporation. Os materiais obtidos demonstraram um refrigerante muito controlável.
O cientista sênior do ORNL, Michael Manley, liderou os experimentos de espalhamento inelástico de nêutrons junto com o pesquisador sênior de P&D, Raphael German.
“Trabalhos anteriores sobre materiais ferroelétricos em massa alcançaram uma melhoria modesta na condutividade térmica de 5 a 10 por cento, enquanto as novas medições mostram um aumento de quase 300 por cento – em grande parte porque os fônons são capazes de viajar por muito mais tempo antes de parar”, disse Manley.
O triplo crescimento surpreendeu os pesquisadores
Ao combinar medições de condutividade térmica com dados de dispersão de nêutrons, a equipe conseguiu vincular diretamente o aumento dramático no fluxo de calor a mudanças nas vibrações atômicas dentro do cristal.
O falecido professor do estado de Ohio, Joseph Herremans, projetou os experimentos de condutividade térmica e supervisionou o estudante de doutorado Deloram Rashadfar durante a análise.
“Embora trabalhos anteriores nos tenham levado a esperar apenas um efeito modesto, a observação de uma diferença tripla provou ser um resultado significativo”, disse Rashadfar. “O professor Herremans sempre enfatizou a importância de confiar primeiro nos dados e deixar a teoria seguir.”
A pesquisa foi apoiada por um programa do Departamento de Energia dos EUA, juntamente com parceiros adicionais.
