O calor está em todo lugar ao nosso redor. Nos motores dos nossos carros, nos processadores dos nossos computadores, nas nossas tubulações industriais. E a maior parte é simplesmente desperdiçada, dispersa no meio ambiente. Lá termoelétrica há muito tempo prometeu capturar essa energia perdida, mas sempre foi impedida por um dilema fundamental: como conduzir eletricidade sem também conduzir calor?
Agora, uma equipe liderada por Fabian Garmroudi no Laboratório Nacional de Los Alamos chegou a uma resposta surpreendentemente eficaz. Combinando dois materiais Com estruturas de rede incompatíveis, mas propriedades eletrônicas compatíveis, a equipe criou um híbrido que desafia as convenções da física dos materiais e duplica a eficiência termoelétrica. Como? Vamos dar uma olhada juntos.
O desafio das propriedades conflitantes
Materiais termoelétricos eficazes (semicondutores de estado sólido que convertem calor em energia elétrica) devem conduzir eletricidade de forma eficiente, minimizando a transferência de calor. Isso, como mencionado, apresenta um desafio particular: materiais que conduzem bem eletricidade normalmente também conduzem bem calor.
como explicado Garmroudi:“Na matéria sólida, o calor é transferido tanto por portadores de carga móveis quanto por vibrações de átomos na rede cristalina.” É um problema que frustra pesquisadores há décadas, limitando as aplicações práticas dessa tecnologia promissora.
Em materiais termoelétricos, buscamos principalmente suprimir o transporte de calor por meio de vibrações de rede, uma vez que elas não contribuem para a conversão de energia.
Essa percepção levou a equipe a uma abordagem completamente nova, acaba de ser anunciado em um comunicado à imprensa. Em vez de modificar um único material, por que não combinar dois com características complementares?
A intuição termoelétrica que muda as regras do jogo
A inovação nasceu durante a estadia de pesquisa de Garmroudi em Tsukuba, Japão, apoiado pelo Prêmio Lions e realizado noInstituto Nacional de Ciência dos Materiais como parte de seu trabalho naUniversidade Técnica de Viena.
Sob intenso calor e pressão, ele fundiu dois pós distintos: um feito de uma liga à base de ferro com vanádio, tântalo e alumínio (Fe₂V₀.₉₅Ta₀.₁Al₀.₉₅), e o outro de uma mistura de bismuto-antimônio (Bi₀.₉Sb₀.₁). O resultado? Um material híbrido compacto com potencial termoelétrico verdadeiramente promissor: mais uma vez, as soluções mais elegantes surgem de combinações inesperadas.
O que torna a abordagem particularmente brilhante é que os dois materiais não se fundem no nível atômico. Devido às suas diferentes características químicas e mecânicas, o componente bismuto-antimônio acumula-se seletivamente nas interfaces de tamanho micrométrico entre os cristais da liga FeVTaAl. Em palavras simples? Imagine ter dois tipos completamente diferentes de peças de LEGO que não cabem juntas. Quando você tenta combiná-los sob pressão e calor, em vez de misturá-los e fundi-los completamente, eles permanecem separados. O bismuto-antimônio (um tipo de bloco de construção) não se mistura com a liga de ferro (o outro tipo de bloco de construção), mas se posiciona precisamente nos espaços entre os cristais da liga de ferro, criando “zonas de limite” microscópicas.
É justamente nessas regiões de fronteira que a mágica acontece: os elétrons podem passar facilmente de um material para outro (boa condução elétrica), enquanto as vibrações térmicas são bloqueadas (má condução térmica). É como ter um filtro que deixa a eletricidade passar, mas bloqueia o calor: exatamente o que é necessário para uma eficiência termoelétrica recorde.
Superando o padrão da década de 50
“Essa descoberta nos deixa muito mais próximos do nosso objetivo de desenvolver um material termoelétrico que possa competir com compostos comercialmente disponíveis à base de telureto de bismuto”, conclui. Garmroudi. “O desacoplamento direcionado do transporte de calor e carga permitiu à equipe aumentar a eficiência do material em mais de 100 por cento. "
O telureto de bismuto, introduzido na década de 50, ainda é considerado a referência para materiais termoelétricos. No entanto, os novos materiais híbridos oferecem uma vantagem importante: eles são significativamente mais estáveis e mais econômicos.
Essa descoberta pode transformar a maneira como alimentamos a Internet das Coisas, especialmente microssensores e outros eletrônicos em miniatura. Imagine um futuro onde o calor residual de plantas industriais, veículos ou até mesmo do corpo humano pudesse ser coletado e transformado em energia elétrica utilizável.
Agora é uma possibilidade real graças a esta pesquisa pioneira que desafia os limites do que pensávamos ser possível na física dos materiais.
