Hoje, a geração de eletricidade é acompanhada pela liberação de uma enorme quantidade de calor no espaço circundante. É tentador usar essas perdas a seu favor, mas as tecnologias modernas oferecem soluções com eficiência muito baixa – apenas alguns por cento. Nos EUA, cientistas criaram um metamaterial que promete um aumento significativo na eficiência dessa transformação.
Nanocolunas em silício sob um microscópio eletrônico. Fonte da Imagem: Materiais Avançados
O efeito termoelétrico – o aparecimento de uma diferença de potencial nas extremidades de dois condutores dissimilares ligados em série, desde que haja diferença de temperatura entre ambos – foi descoberto há duzentos anos pelo físico Thomas Seebeck. O efeito é nomeado após ele. A conversão eficiente de calor em eletricidade requer que um material seja um bom condutor de elétrons e um mau condutor de calor. Então, em suas extremidades, haverá uma grande diferença de temperatura e, como resultado, alta eficiência. Infelizmente, tais materiais não ocorrem na natureza. Se um material conduz bem a corrente, ele também conduzirá o calor e vice-versa.
Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) criaram um metamaterial que é um bom condutor de elétrons, mas um mau condutor de calor. Deve-se dizer que o calor em corpos com uma rede cristalina sólida é transferido por quasipartículas de fônon. E embora não sejam partículas reais, estão igualmente sujeitas à teoria da onda corpuscular – são partículas e onda ao mesmo tempo. O novo metamaterial usa as propriedades de onda dos fônons para influenciar a velocidade com que se propagam através do material.
Estruturalmente, o novo metamaterial é uma folha de silício na qual crescem nanocristais de nitreto de gálio. O substrato de silício é então diluído até a espessura desejada. Acontece o seguinte. Quando o calor é transferido de uma borda da folha para a outra, ele também é transferido por meio de nanocolunas. As ondas estacionárias aparecem nas colunas com um período cujo valor é ditado pela sua forma – uma coluna estreita. Essas ondas são muito, muito mais curtas do que a onda fônon que se propaga livremente no silício. Descobriu-se que ondas estacionárias em nanocolunas ressoam com ondas de fônons no silício, forçando os fônons no silício a ajustar seu comprimento de onda ao “bloqueado”.
Fonte da imagem: NIST
Como resultado do experimento, descrito na revista Advanced Materials, os cientistas conseguiram reduzir a condutividade térmica do silício em 21% sem comprometer sua condutividade elétrica. Os físicos esperam poder imaginar em breve uma solução com alta taxa de conversão de calor em eletricidade, que abrirá caminho para novos dispositivos termoelétricos ou permitirá dissipadores de calor mais eficientes para eletrônicos.