Na maioria dos materiais, a forma como o calor é absorvido e a forma como é irradiado são inseparáveis. Quando uma superfície absorve efetivamente calor de uma determinada direção ou comprimento de onda, ela também irradia calor da mesma maneira. Este princípio estabelecido há muito tempo, conhecido como reciprocidade, tornou difícil para os cientistas controlarem de forma independente como a energia térmica flui para dentro e para fora de um material.
Se esses dois processos pudessem ser separados, os engenheiros poderiam direcionar o calor com muito mais precisão. O material pode absorver energia térmica de uma direção e liberá-la em outra, melhorando potencialmente o gerenciamento de temperatura, conversão de energia, detecção infravermelha e tecnologias de comunicação térmica.
Um material que pode controlar o calor
Para superar essa limitação, uma equipe internacional liderada pelo Prof. Koichi Akamoto e Dr. Shunsuke Murai da Escola de Pós-Graduação em Engenharia da Universidade Metropolitana de Osaka desenvolveu um novo tipo de dispositivo usando materiais magneto-ópticos. Esses materiais alteram a forma como interagem com a luz sob a influência de um campo magnético, o que lhes permite alterar seu comportamento térmico.
Os pesquisadores combinaram o material magnetoóptico com um material de mudança de fase conhecido como GST. O dispositivo resultante pode controlar a direção da radiação de calor, ativar ou desativar esse comportamento e manter sua configuração mesmo depois de desligar a energia. Essencialmente, permite que o calor seja programado de uma forma semelhante à forma como os dados são armazenados e gerenciados dentro de um chip de computador.
“Fizemos com que a radiação térmica se comportasse de forma mais inteligente”, explicou o Dr. Murai. “Alcançar essas capacidades em um modelo funcional poderia permitir uma nova geração de emissores infravermelhos eficientes, dispositivos de energia térmica, sensores e tecnologias de memória fotônica.”
Melhor desempenho do que designs anteriores
A equipe descobriu que o dispositivo respondia de maneira diferente dependendo da direção de onde a luz vinha, mesmo quando a luz o incidia quase diretamente. As tecnologias anteriores normalmente exigiam que a luz atingisse o material em ângulos muito acentuados para obter efeitos semelhantes, reduzindo a eficiência de absorção e emissão em comparação com a incidência convencional.
O novo design também eliminou outras deficiências dos sistemas anteriores. Os dispositivos anteriores produziam alternância inconsistente entre os estados ligado e desligado e perdiam a configuração salva após a remoção da energia. Em contraste, o novo material pode mudar de estado de forma confiável, mantendo sua memória, tornando-o muito mais prático para aplicações futuras.
Para dispositivos térmicos programáveis
Os pesquisadores veem a tecnologia como um passo importante em direção a dispositivos que controlam o calor com a mesma precisão que os circuitos eletrônicos usam para controlar a eletricidade.
“Nosso objetivo final é desenvolver dispositivos compactos que possam controlar ativamente a radiação térmica, semelhante à forma como os circuitos eletrônicos controlam o fluxo de eletricidade”, disse o professor Okamoto. “Esses dispositivos poderiam ser usados em sensores infravermelhos mais inteligentes, sistemas de energia mais eficientes e novos tipos de memória fotônica que armazenam informações usando luz e calor em vez de cargas elétricas”.
