Explorando uma área esquecida por outros cientistas, físicos do National High Magnetic Field Laboratory, sediada na Florida State University, descobriram que uma classe de materiais chamada "1-2-20s" tem propriedades termoelétricas muito promissoras, abrindo as comportas para futuras pesquisas sobre esses materiais fascinantes.

O estudo foi publicado em Avanços da Ciência .

Dispositivos termoelétricos podem produzir eletricidade se houver uma diferença de temperatura entre as duas extremidades. Eles também podem fazer o oposto:usar eletricidade para absorver ou liberar calor. Esta propriedade tem muitas aplicações potenciais, da refrigeração sem compressor à geração de energia no espaço para recuperar toda a energia desperdiçada pelos motores dos automóveis (cerca de 40%) que escapa pelo calor.

"Não é energia de graça, "disse o físico do MagLab Ryan Baumbach, autor correspondente no artigo, "mas é a segunda melhor coisa."

A maioria dos materiais tem muito pouco efeito termoelétrico. Isso porque a transferência de eletricidade através de um material e a transferência de calor geralmente andam de mãos dadas. Em geral, a natureza quer manter o calor e a condutividade elétrica ligados, mas para ter um bom desempenho termelétrico, essas duas propriedades precisam ser dissociadas.

Cerca de dois anos atrás, Baumbach sugeriu que Kaya Wei, o bolsista de pós-doutorado Jack Crow do MagLab e membro do grupo de pesquisa de Baumbach, estude um material "1-2-20" que pareça um bom candidato para termoeletricidade.

O material específico proposto por Baumbach apresentava três ingredientes básicos em uma proporção "1-2-20":o elemento itérbio; um metal de transição (seja cobalto, ródio ou irídio); e o elemento zinco. Baumbach tinha um palpite de que esse composto tinha o que era preciso, se manipulado adequadamente em seu laboratório, para desprezar a natureza e desvincular a condutividade térmica da condutividade do calor.

Usando fornos de alta temperatura no laboratório de Baumbach, Wei sintetizou o composto na forma de cristal e submeteu as amostras a uma série de medições. Os resultados confirmaram que, em baixas temperaturas, o material era de fato um material termoelétrico promissor.

Então era hora de começar a brincar com as variáveis ​​para ver o que mais elas poderiam descobrir.

"Diferentes composições promovem propriedades físicas bastante diferentes, "disse Wei, o autor principal do artigo.

Construindo uma melhor termelétrica

Os pesquisadores queriam fazer um material o mais termoeletricamente otimizado que pudessem, uma propriedade representada por um parâmetro denominado figura de mérito termoelétrica (ou ZT). Fazer isso, eles precisavam ajustar seu cristal para:1. Maximizar sua condutividade elétrica; 2. Minimize sua condutividade de calor; e 3. Desenvolver uma grande voltagem quando um pequeno gradiente de temperatura é aplicado (isto é, quando uma extremidade está ligeiramente mais quente que a outra), uma propriedade medida por um valor denominado coeficiente de Seebeck.

O primeiro objetivo era o mais fácil:o material já era um bom condutor em grande parte graças ao zinco e ao metal de transição.

Os outros objetivos eram mais complicados. Para alcançar o segundo, os cientistas precisavam sabotar os fônons, que são os grandes responsáveis ​​pelo transporte de calor. Fônons são vibrações que se propagam através da rede atômica tridimensional de um material:Desta forma, a energia absorvida por um átomo pode ondular, átomo a átomo, em todo o material.

Felizmente, inerente à própria estrutura dos materiais 1-2-20 era uma forma de criar enormes bloqueios de estradas para o fônon.

O cristal que Wei fez tinha uma estrutura semelhante a uma gaiola compreendendo 20 átomos de zinco que abrigavam um átomo de itérbio. O átomo de itérbio balança dentro da gaiola, interferindo na habilidade dos fônons de dissipar calor através do material.

A grande célula unitária do cristal reforça esse efeito. Os fônons estão espalhados em todas as direções.

O itérbio empresta outro ingrediente importante para o sucesso termoelétrico do composto. Ele contém um tipo de elétron chamado "elétron f". Sem se tornar muito mecânico quântico, Os elétrons f tendem a ficar perto o suficiente do núcleo para manter um caráter magnético. No itérbio e em alguns outros casos especiais, Contudo, Os elétrons f vacilam entre se agarrar firmemente ao núcleo e se aventurar em direção aos átomos vizinhos.

"Os elétrons do itérbio f são especiais porque têm uma dualidade entre serem localizados e deslocalizados, "Baumbach explicou." Isso ajuda a explicar o grande coeficiente de Seebeck do material. "

Próximos passos

Agora que eles descobriram e entenderam melhor esta receita para termoeletricidade, Baumbach e Wei estão explorando mais a fundo.

Os valores ZT dos compostos testados por eles atingem o pico em temperaturas muito baixas - em torno de -400 graus Fahrenheit ou -240 graus Celsius. Isso seria útil no espaço ou apenas para outras aplicações de baixa temperatura. Mas, ao experimentar os ingredientes específicos em seus 1-2-20s, os cientistas dizem que podem alcançar resultados diferentes.

"Existem tantas variantes químicas para a família de compostos 1-2-20, "Wei disse." Não é apenas que você mudaria 100 por cento de um elemento ou outro, mas você pode fazer substituição química. E nossa esperança é, fazendo isso, seremos capazes de contornar a temperatura onde o valor ZT atinge o pico e encontrar materiais para diferentes aplicações. "

Embora satisfeito com o sucesso, Baumbach e Wei parecem ainda mais animados por terem aberto uma nova lata de minhocas com sua ciência que atrairá rebanhos de outros pesquisadores.

"Esses caras são apenas alguns exemplos de uma família realmente grande de materiais, "Baumbach disse." Acreditamos que este trabalho vai estimular muito o interesse de grupos fora do nosso. "