O calor é algo com que lidamos todos os dias. Uma xícara de café fumegante esfria gradualmente, um laptop aquece durante o uso e a luz solar aquece a superfície da Terra. No entanto, quando o calor é visto a uma distância muito menor que a largura de um fio de cabelo humano, ele pode se comportar de maneira inesperada.
Pesquisadores da Carnegie Mellon University, trabalhando com colaboradores da Stanford University e da Purdue University, demonstraram agora um novo e poderoso método de controle de calor em nanoescala. Suas descobertas, publicadas em Naturezafornecem evidências experimentais convincentes de que a transferência de calor pode ser deliberadamente projetada e significativamente melhorada com metamateriais especialmente projetados.
Como o calor viaja através de pequenas lacunas
A pesquisa se concentra em um fenômeno conhecido como transferência de calor radiativo de campo próximo. Quando dois objetos estão separados por uma distância muito pequena, apenas algumas centenas de nanômetros, o calor pode viajar entre eles com muito mais eficiência do que em condições normais.
Em vez de simplesmente irradiar para fora, a energia térmica pode efetivamente passar por um túnel estreito através de ondas eletromagnéticas. Este processo permite que muito mais calor flua de um objeto para outro do que normalmente seria esperado.
Os cientistas compreendem este efeito há anos, mas demonstrar experimentalmente como melhorá-lo significativamente continua a ser um desafio.
Metamateriais aumentam a troca de calor
Para conseguir isso, os pesquisadores recorreram aos metamateriais, materiais projetados que contêm estruturas microscópicas repetidas projetadas para interagir com a energia de maneiras altamente controladas.
“Ao contrário dos materiais convencionais, os metamateriais são construídos com pequenos padrões repetidos que interagem com a energia de maneiras precisas”, disse Shen Shen, professor de engenharia mecânica na Universidade Carnegie Mellon e autor sênior do estudo. “Padronizamos estruturas microscópicas de ouro em membranas finas e as colocamos frente a frente em uma lacuna em nanoescala. Isso aumentou a transferência de calor em até quatro vezes em comparação com configurações semelhantes sem metamateriais, muito além do que a física tradicional poderia prever em longas distâncias.”
Os experimentos da equipe mostraram que as estruturas com padrão dourado aumentaram significativamente a quantidade de calor que se move através da lacuna, alcançando taxas de transferência de calor até quatro vezes maiores do que sistemas comparáveis sem padrões de engenharia.
A ciência por trás do efeito
A melhoria não é simplesmente o resultado da adição de mais caminhos de transferência de calor.
“Em vez de simplesmente adicionar mais caminhos para o calor, as estruturas de ouro interagem com ondas de energia naturais no material conhecido como polaritons de fônons de superfície, criando um efeito de ressonância”, disse Zexiao Wang, estudante de graduação do grupo de pesquisa do professor Shen e um dos autores do estudo. “Essas vibrações acopladas permitem que a energia se mova de forma mais livre e eficiente através da lacuna.”
Segundo os pesquisadores, o efeito ocorre porque as estruturas microscópicas do material e as ondas de energia naturais trabalham juntas.
“É um efeito cooperativo”, disse Shen. “As estruturas e o material reforçam-se mutuamente.”
Potenciais áreas de aplicação em eletrônica e energia
A descoberta pode ter aplicações práticas importantes. À medida que os dispositivos eletrônicos continuam a ficar menores e mais potentes, a remoção do excesso de calor tornou-se um dos desafios de engenharia mais significativos.
Ser capaz de direcionar e controlar o calor de forma mais eficiente poderia levar a melhores métodos de resfriamento para chips de computador e outros sistemas eletrônicos de alto desempenho.
As descobertas também podem beneficiar a tecnologia energética. Sistemas conhecidos como termofotovoltaicos geram eletricidade a partir do calor, convertendo a radiação térmica em energia útil. Melhorar a eficiência da transferência de radiação térmica poderia ajudar a tornar estas tecnologias mais viáveis.
Além disso, aplicações que envolvem detecção infravermelha podem aproveitar sinais térmicos mais fortes e controlados com mais precisão. Os usos potenciais variam do monitoramento ambiental à segurança nacional.
Um passo em direção ao calor de engenharia
Embora os experimentos tenham sido conduzidos em condições laboratoriais cuidadosamente controladas e permaneçam limitados a sistemas em nanoescala, o trabalho representa um avanço importante das previsões teóricas para demonstrações no mundo real.
“Se o calor puder ser produzido com a mesma precisão que a eletricidade ou a luz, isso poderá abrir a porta para uma nova classe de tecnologia projetada não apenas para resistir ao calor, mas também para aproveitá-lo”, disse Shen.
Este trabalho foi apoiado pela Agência de Redução de Ameaças de Defesa, pela National Science Foundation e pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea. Shen Shen e Shanhui Fan são autores correspondentes. Zexiao Wang, Renwen Yu e Hakan Salihoglu contribuíram igualmente para este trabalho.
