Na maioria dos materiais, a forma como o calor é absorvido e a forma como é liberado são inseparáveis. Se uma superfície absorve eficientemente o calor de uma determinada direção ou comprimento de onda, ela emite calor da mesma maneira. Este princípio estabelecido há muito tempo, conhecido como reciprocidade, torna difícil para os cientistas controlarem de forma independente como a energia térmica entra e sai de um material.
Se esses dois processos puderem ser separados, entretanto, os engenheiros poderão direcionar o calor com mais precisão. Um material pode absorver energia térmica em uma direção e liberá-la em outra direção, melhorando potencialmente o gerenciamento térmico, a conversão de energia, a detecção infravermelha e as tecnologias de comunicação térmica.
Um material que pode controlar o calor
Para superar essa limitação, uma equipe internacional liderada pelo professor Koichi Okamoto e pelo 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 quando expostos a um campo magnético, alterando assim seu comportamento térmico.
Os pesquisadores combinaram um elemento magnetoóptico com um elemento de mudança de fase conhecido como GST. O dispositivo resultante pode controlar a direção em que o calor é irradiado, ativar ou desativar esse comportamento e manter sua configuração mesmo após a energia ser desligada. Na verdade, isso permite que o calor seja programado de maneira semelhante à forma como os dados são armazenados e controlados dentro de um chip de computador.
“Tratamos a radiação térmica de uma forma ‘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 forma diferente dependendo da direção de onde a luz vinha, mesmo quando a luz estava quase acesa. As tecnologias anteriores normalmente exigiam que a luz atingisse o material num ângulo muito acentuado para obter um efeito semelhante, reduzindo a absorção e a eficiência da radiação em comparação com a incidência normal.
O novo design também abordou outras deficiências do sistema anterior. Dispositivos anteriores produziam alternância inconsistente entre os estados “ligado” e “desligado” e perdiam a configuração armazenada após a remoção da energia. Em contraste, o novo componente pode mudar de estado de forma confiável, preservando sua memória, tornando-o mais prático para aplicações futuras.
Rumo a dispositivos térmicos programáveis
Os pesquisadores veem a tecnologia como um passo importante em direção a dispositivos que gerenciam o calor com o mesmo nível de precisão que os circuitos eletrônicos usam para controlar a eletricidade.
“Nosso objetivo final é criar dispositivos compactos que possam controlar ativamente a radiação de calor, da mesma forma que 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”.
