Materiais cujas propriedades eletrônicas e magnéticas podem ser significativamente alteradas pela aplicação de entradas elétricas formam a espinha dorsal de toda a eletrônica moderna. Mas alcançar o mesmo tipo de controle ajustável sobre a condutividade térmica de qualquer material tem sido uma busca difícil.

Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT deu um grande salto em frente. Eles projetaram um dispositivo há muito procurado, que eles se referem como uma "válvula de calor elétrica, "que pode variar a condutividade térmica sob demanda. Eles demonstraram que a capacidade do material de conduzir calor pode ser" ajustada "por um fator de 10 em temperatura ambiente.

Esta técnica pode potencialmente abrir a porta para novas tecnologias de isolamento controlável em janelas inteligentes, paredes inteligentes, roupas inteligentes, ou mesmo novas maneiras de aproveitar a energia do calor residual.

Os resultados são relatados hoje no jornal Materiais da Natureza , em um artigo dos professores Bilge Yildiz e Gang Chen do MIT, recém-formados Qiyang Lu Ph.D. '18 e Samuel Huberman Ph.D. '18, e seis outros no MIT e no Laboratório Nacional de Brookhaven.

A condutividade térmica descreve o quão bem o calor pode ser transferido através de um material. Por exemplo, é a razão pela qual você pode facilmente pegar uma frigideira quente com um cabo de madeira, por causa da baixa condutividade térmica da madeira, mas você pode se queimar ao pegar uma frigideira semelhante com uma alça de metal, que tem alta condutividade térmica.

Os pesquisadores usaram um material chamado óxido de estrôncio e cobalto (SCO), que pode ser feito na forma de filmes finos. Ao adicionar oxigênio ao SCO em uma forma cristalina chamada brownmillerita, a condutividade térmica aumentou. Adicionar hidrogênio a ele fez com que a condutividade diminuísse.

O processo de adição ou remoção de oxigênio e hidrogênio pode ser controlado simplesmente variando a voltagem aplicada ao material. Em essência, o processo é conduzido eletroquimicamente. Geral, à temperatura ambiente, os pesquisadores descobriram que esse processo fornece uma variação dez vezes maior na condução de calor do material. Essa faixa de ordem de magnitude de variação eletricamente controlável nunca foi vista em qualquer material antes, dizem os pesquisadores.

Na maioria dos materiais conhecidos, a condutividade térmica é invariável - a madeira nunca conduz bem o calor, e os metais nunca conduzem mal o calor. Como tal, quando os pesquisadores descobriram que adicionar certos átomos à estrutura molecular de um material poderia realmente aumentar sua condutividade térmica, foi um resultado inesperado. Se alguma coisa, adicionando os átomos extras - ou, mais especificamente, íons, átomos sem alguns elétrons, ou com excesso de elétrons, para dar-lhes uma carga líquida - deve piorar a condutividade (o que, acabou, foi o caso ao adicionar hidrogênio, mas não oxigênio).

“Foi uma surpresa para mim quando vi o resultado, "Chen diz. Mas depois de mais estudos do sistema, ele diz, "agora temos uma compreensão melhor" de por que esse fenômeno inesperado acontece.

Acontece que a inserção de íons de oxigênio na estrutura da brownmillerita SCO a transforma no que é conhecido como uma estrutura de perovskita - uma estrutura que tem uma estrutura ainda mais ordenada do que a original. "Vai de uma estrutura de baixa simetria para uma de alta simetria. Também reduz a quantidade dos chamados locais de defeito de vacância de oxigênio. Estes, juntos, levam a sua maior condução de calor, "Diz Yildiz.

O calor é conduzido prontamente através dessas estruturas altamente ordenadas, enquanto tende a ser espalhado e dissipado por estruturas atômicas altamente irregulares. Apresentando íons de hidrogênio, por contraste, causa uma estrutura mais desordenada.

"Podemos introduzir mais ordem, que aumenta a condutividade térmica, ou podemos introduzir mais desordem, o que dá origem a uma menor condutividade. Poderíamos descobrir isso realizando modelagem computacional, além de nossos experimentos, "Yildiz explica.

Embora a condutividade térmica possa variar em cerca de um fator de 10 à temperatura ambiente, em temperaturas mais baixas, a variação é ainda maior, Ela adiciona.

O novo método torna possível variar continuamente esse grau de ordem, em ambas as direções, simplesmente variando a voltagem aplicada ao material de película fina. O material está imerso em um líquido iônico (essencialmente um sal líquido) ou em contato com um eletrólito sólido, que fornece íons de oxigênio negativos ou íons de hidrogênio positivos (prótons) ao material quando a voltagem é ligada. No caso do eletrólito líquido, a fonte de oxigênio e hidrogênio é a hidrólise da água do ar circundante.

"O que mostramos aqui é realmente uma demonstração do conceito, "Yildiz explica. O fato de eles exigirem o uso de um meio eletrolítico líquido para toda a gama de hidrogenação e oxigenação torna esta versão do sistema" não facilmente aplicável a um dispositivo totalmente de estado sólido, "que seria o objetivo final, ela diz. Mais pesquisas serão necessárias para produzir uma versão mais prática. "Sabemos que existem materiais eletrolíticos de estado sólido" que poderiam, teoricamente, ser substituídos pelos líquidos, ela diz. A equipe continua explorando essas possibilidades, e demonstraram dispositivos de trabalho com eletrólitos sólidos também.

Chen diz que "há muitas aplicações em que você deseja regular o fluxo de calor." Por exemplo, para armazenamento de energia na forma de calor, como de uma instalação solar térmica, seria útil ter um recipiente que pudesse ser altamente isolante para reter o calor até que seja necessário, mas que então pode ser alterado para ser altamente condutivo quando chega a hora de recuperar esse calor. "O Santo Graal seria algo que poderíamos usar para armazenamento de energia, "ele diz." Esse é o sonho, mas ainda não chegamos lá. "

Mas essa descoberta é tão nova que também pode haver uma variedade de outros usos potenciais. Esta abordagem, Yildiz diz, "poderia abrir novos aplicativos nos quais não pensávamos antes." E embora o trabalho fosse inicialmente confinado ao material SCO, "o conceito é aplicável a outros materiais, porque sabemos que podemos oxigenar ou hidrogenar uma variedade de materiais eletricamente, eletroquimicamente ", diz ela. Além disso, embora esta pesquisa tenha focado na mudança das propriedades térmicas, o mesmo processo também tem outros efeitos, Chen diz:"Isso não muda apenas a condutividade térmica, mas também altera as propriedades ópticas. "

"Esta é uma maneira verdadeiramente inovadora e inovadora de usar a inserção e extração de íons em sólidos para ajustar ou alternar a condutividade térmica, "diz Juergen Fleig, professor de tecnologia química e analítica da Universidade de Viena, Áustria, que não estava envolvido neste trabalho. "Os efeitos medidos (causados ​​por duas transições de fase) não são apenas muito grandes, mas também bidirecionais, que está saindo. Também estou impressionado com o fato de os processos funcionarem tão bem em temperatura ambiente, uma vez que tais materiais de óxido são normalmente operados a temperaturas muito mais altas. "

Yongjie Hu, professor associado de engenharia mecânica e aeroespacial na Universidade da Califórnia em Los Angeles, que também não estava envolvido neste trabalho, diz "O controle ativo sobre o transporte térmico é fundamentalmente desafiador. Este é um estudo muito empolgante e representa uma etapa importante para atingir a meta. É o primeiro relatório que examinou em detalhes as estruturas e propriedades térmicas de fases tri-state, e pode abrir novos locais para gerenciamento térmico e aplicações de energia. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.