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| Torções aleatórias entre camadas de folhas cristalinas bloqueiam o calor que atravessa as camadas, mas ainda mantêm um bom fluxo de calor ao longo das folhas. Os pesquisadores medem um fator surpreendente de 900 na diferença no fluxo de calor. Crédito: Neuroncollective.com, Daniel Spacek, Pavel Jirak / Chalmers University |
Mover o calor para onde você quer que ele vá — adicioná-lo a casas e secadores de cabelo, removê-lo de motores de carros e geladeiras — é um dos grandes desafios da engenharia.
Toda atividade gera calor, porque a energia escapa de tudo o que fazemos. Mas muito pode desgastar baterias e componentes eletrônicos— como peças em um laptop envelhecido que corre muito quente para realmente sentar no seu colo. Se você não pode se livrar do calor, você tem um problema.
Cientistas da Universidade de Chicago inventaram uma nova maneira de canalizar o calor ao redor no nível microscópico: um isolador térmico feito usando uma técnica inovadora. Eles empilham camadas ultrafinas de folhas cristalinas em cima umas das outras, mas giram cada camada ligeiramente, criando um material com átomos que estão alinhados em uma direção, mas não na outra.
"Pense em um cubo de Rubik parcialmente acabado, com camadas todas giradas em direções aleatórias", disse Shi En Kim, estudante de pós-graduação da Pritzker School of Molecular Engineering, que é o primeiro autor do estudo. "O que isso significa é que dentro de cada camada do cristal, ainda temos uma rede ordenada de átomos, mas se você se mover para a camada vizinha, você não tem ideia de onde os próximos átomos serão relativos à camada anterior — os átomos estão completamente confusos ao longo desta direção."
O resultado é um material extremamente bom tanto em conter calor quanto em movê-lo, embora em direções diferentes — uma habilidade incomum na microescala, e que poderia ter aplicações muito úteis em eletrônica e outras tecnologias.
"A combinação de excelente condutividade térmica em uma direção e excelente isolamento em outra direção não existe em nada na natureza", disse o autor principal do estudo, Jiwoong Park, professor de química e engenharia molecular na Universidade de Chicago. "Esperamos que isso possa abrir uma direção totalmente nova para a fabricação de novos materiais."
Os cientistas estão constantemente em busca de materiais com propriedades incomuns, porque eles podem desbloquear recursos completamente novos para dispositivos como eletrônicos, sensores, tecnologia médica ou células solares. Por exemplo, máquinas de ressonância magnética foram possíveis pela descoberta de um material estranho que pode conduzir perfeitamente a eletricidade.
O grupo de Park estava investigando maneiras de fazer camadas extremamente finas de materiais, que têm apenas alguns átomos de espessura. Normalmente, os materiais utilizados para dispositivos são compostos de lattices extremamente regulares e repetitivos de átomos, o que torna muito fácil para a eletricidade (e calor) se mover através do material. Mas os cientistas se perguntavam o que aconteceria se, em vez disso, girassem cada camada sucessiva ligeiramente enquanto as empilhavam.
Eles mediram os resultados e descobriram que uma parede microscópica feita deste material era extremamente boa em evitar que o calor se movesse entre compartimentos. "A condutividade térmica é incrivelmente baixa — tão baixa quanto o ar, que ainda é um dos melhores isoladores que conhecemos", disse Park. "Isso por si só é surpreendente, porque é muito incomum encontrar essa propriedade em um material que é um sólido denso — esses tendem a ser bons condutores de calor."
Mas o ponto que foi realmente emocionante para os cientistas foi quando eles mediram a capacidade do material de transportar calor ao longo da parede, e descobriram que poderia fazê-lo muito facilmente.
Essas duas propriedades em combinação podem ser muito úteis. Por exemplo, tornar os chips de computador cada vez menores resulta em cada vez mais energia correndo por um pequeno espaço, criando um ambiente com alta "densidade de energia" — um ponto de acesso perigoso, disse Kim.
"Você está basicamente assando seus dispositivos eletrônicos em níveis de energia como se estivesse colocando-os em um forno de micro-ondas", disse ela. "Um dos maiores desafios da eletrônica é cuidar do calor nessa escala, pois alguns componentes da eletrônica são muito instáveis a altas temperaturas.
"Mas se pudermos usar um material que possa conduzir o calor e isolar o calor ao mesmo tempo em direções diferentes, podemos desviar o calor da fonte de calor — como a bateria — evitando as partes mais frágeis do dispositivo."
Essa capacidade poderia abrir portas para experimentar com materiais que têm sido muito sensíveis ao calorpara os engenheiros usarem em eletrônica. Além disso, criar um gradiente térmico extremo — onde algo é muito quente de um lado e frio do outro — é difícil de fazer, particularmente em escalas tão pequenas, mas poderia ter muitas aplicações em tecnologia.
"Se você pensar no que a vidraça fez por nós — ser capaz de manter as temperaturas externas e internas separadas — você pode ter uma noção de quão útil isso pode ser", disse Park.
Os cientistas só testaram sua técnica de camadas em um material, chamado dissulfeto de molbênio,mas acham que esse mecanismo deve ser geral em muitos outros. "Espero que isso abra uma nova direção para a fabricação de condutores térmicos exóticos", disse Kim.
Fonte: phys.org