Pesquisadores do Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia, trabalhando com a Ohio State University e a Amphenol Corporation, descobriram uma nova maneira surpreendente de controlar como o calor se move através dos sólidos. As suas descobertas desafiam suposições de longa data sobre o transporte de calor e podem levar a sistemas de refrigeração, dispositivos de energia e tecnologias eletrónicas mais eficientes.
Publicado em Energia PRXA pesquisa mostrou que a aplicação de um campo elétrico a uma cerâmica específica altera o comportamento dos fônons, as minúsculas vibrações atômicas responsáveis pelo transporte de calor. Quando os átomos vibram na mesma direção do campo elétrico (direção polar), esses fônons duram muito mais que as vibrações. Como resultado, o calor viaja cerca de três vezes mais eficientemente ao longo da direção do campo elétrico do que em outras direções.
“Ser capaz de controlar a rapidez e a maneira como os fluxos de calor podem permitir que os dispositivos administrem a energia térmica com muito mais eficiência”, disse Puspa Upreti, pesquisador associado de pós-doutorado do ORNL.
Por que controlar o calor é importante
A capacidade de gerenciar o calor com eficiência é essencial para muitas tecnologias avançadas. Isso inclui sistemas de resfriamento eletrônico de estado sólido que não possuem peças móveis, dispositivos que convertem calor em eletricidade, eletrônicos baseados em chips e sistemas de cogeração que capturam e reutilizam o calor residual de processos industriais.
Um melhor controle sobre a transferência de calor pode melhorar o desempenho e a eficiência energética. O conceito é ilustrado pelo ciclo de Carnot, um modelo idealizado que define a máxima eficiência teórica de uma máquina térmica controlando cuidadosamente o movimento de calor entre regiões quentes e frias.
No novo estudo, o campo elétrico reduziu as barreiras que normalmente interferem no movimento dos fônons. Isso permite que as vibrações que transportam calor percorram o material, como um engarrafamento em uma rodovia movimentada, levando a uma condução de calor muito mais eficiente em direção ao campo elétrico.
Experimentos de nêutrons revelam movimento nuclear
Para entender exatamente o que está acontecendo dentro do material, a equipe conduziu experimentos na Spallation Neutron Source, uma instalação de usuário do DOE Office of Science operada pelo ORNL.
Usando técnicas avançadas de espalhamento elástico de nêutrons, os pesquisadores observaram as posições dos átomos dentro do cristal e como esses átomos se moviam. Os nêutrons são especialmente adequados para este tipo de análise porque podem revelar tanto a estrutura de um elemento quanto sua dinâmica nuclear, com base em métodos reconhecidos pelo trabalho ganhador do Prêmio Nobel de Clifford Schall e Bertram Brockhaus.
As medições mostraram que a aplicação de um campo elétrico não apenas aumentou a velocidade dos fônons, mas também estendeu significativamente o tempo de vida deles antes da dispersão. Uma das principais razões para esta longa vida útil é que o material se torna muito melhor na condução de calor.
Uma cerâmica com excepcional transferência de calor
Os pesquisadores se concentraram em uma classe de cerâmica conhecida como ferroelétrica baseada em relaxamento. Quando expostos a um campo elétrico, pequenas cargas elétricas se alinham entre esses elementos. Este alinhamento reduz a dispersão dos fônons transportadores de calor, permitindo que a energia térmica se mova com mais eficiência através do cristal.
Os cristais usados no experimento foram cuidadosamente cultivados e depois expostos a um campo elétrico, ou “pólo”, por Rafi Sahul, da Amphenol Corporation. Os materiais resultantes exibiram transporte de calor altamente controlável.
O pesquisador sênior do ORNL, Michael Manley, liderou os experimentos de espalhamento inelástico de nêutrons junto com o membro sênior da equipe de P&D do ORNL, Raphael Herrmann.
“Trabalhos anteriores sobre materiais ferroelétricos em massa alcançaram melhorias modestas na condutividade térmica de 5% a 10%, enquanto as novas medições revelam um aumento de perto de 300% – principalmente porque os fônons são capazes de viajar por muito mais tempo antes de parar”, disse Manley.
O aumento triplo surpreendeu os pesquisadores
Ao combinar medições de condutividade térmica com dados de dispersão de nêutrons, a equipe conseguiu vincular diretamente o aumento dramático no fluxo de calor a mudanças nas vibrações atômicas dentro do cristal.
O falecido professor do estado de Ohio, Joseph Herremans, projetou o experimento de condutividade térmica e orientou o doutorando Delaram Rashadfar durante a análise.
“Embora trabalhos anteriores nos tenham levado a esperar apenas um efeito modesto, observar uma diferença tripla revelou-se um resultado significativo”, disse Rashadfar. “O professor Herremans sempre enfatizou a importância de confiar primeiro nos dados e seguir a teoria.”
A pesquisa foi apoiada pelo Programa de Ciências Básicas de Energia do DOE com parceiros contribuintes adicionais.
