Por uma estimativa oficial, Manufatura americana, transporte, consumidores residenciais e comerciais usam apenas cerca de 40 por cento da energia de que consomem, desperdiçando 60 por cento. Muitas vezes, esta energia desperdiçada escapa como calor, ou energia térmica, de tecnologia ineficiente que não consegue colher esse poder potencial.

Agora uma equipe da Universidade de Massachusetts Amherst liderada pelo químico Dhandapani Venkataraman, "DV, "e o engenheiro elétrico Zlatan Aksamija, relatório este mês em Nature Communications em um avanço, eles traçam em direção a mais eficiente, mais barato, colheita de energia térmica baseada em polímeros.

“Será uma surpresa para o campo, "DV prevê, "isso nos dá outra variável importante que podemos alterar para melhorar a eficiência termoelétrica dos polímeros. Isso deve nos fazer, e outros, veja os polímeros termoelétricos sob uma nova luz. "

Aksamija explica, "O uso de polímeros para converter energia térmica em eletricidade por meio da coleta de calor residual aumentou o interesse nos últimos anos. O calor residual representa um problema, mas também um recurso; quanto mais calor seu processo desperdiça, menos eficiente será. "A coleta de calor residual é menos difícil quando há um local, fonte de gradiente de alta temperatura para trabalhar, ele adiciona, como uma fonte de calor de alto grau, como uma usina de energia.

Os polímeros termoelétricos são menos eficientes na coleta de calor em comparação com os rígidos, métodos inorgânicos caros de produzir que, no entanto, são bastante eficientes, Aksamija acrescenta, mas vale a pena buscar polímeros porque são mais baratos de produzir e podem ser revestidos de materiais flexíveis - para envolver a chaminé de exaustão de uma usina de energia, por exemplo.

Recentemente, os cientistas têm abordado esse obstáculo com um processo chamado "doping". Com isso, pesquisadores misturam componentes químicos ou outros em polímeros para melhorar sua capacidade de mover cargas elétricas e aumentar a eficiência. DV diz, "Imagine que adicionamos gotas de chocolate, um material que melhora a condutividade, para um cookie. Isso é doping. "

Mas o doping envolve uma troca, Aksamija acrescenta. Ele pode atingir mais corrente e menos tensão induzida termicamente, ou mais voltagem e menos corrente, mas não ambos. "Se você melhorar uma propriedade, você faz o outro pior, " ele explica, "e pode ser muito difícil decidir o melhor equilíbrio, "ou dopagem ideal.

Para endereçar isto, DV e seu Ph.D. em química estudante Connor Boyle, com Aksamija e seu Ph.D. em engenharia elétrica. o aluno Meenakshi Upadhyaya trabalhou no que DV chama de "uma verdadeira colaboração, "onde cada insight de simulações numéricas informou a próxima série de experimentos, e vice versa.

Os químicos conduziram experimentos, enquanto a equipe de engenharia realizou análises de eficiência ao longo da curva de "dopagem zero" a "dopagem máxima" para identificar o melhor equilíbrio para muitos materiais diferentes. Para o grande número de simulações que eles executaram para testar centenas de cenários, eles usaram o Massachusetts Green High Performance Computing Center nas proximidades de Holyoke.

Aksamija diz. "Podemos agora dizer-lhe, para cada material fornecido, qual é o equilíbrio ideal das duas propriedades, e por um tempo, as pessoas ficaram satisfeitas em saber apenas disso. "Mas, ao longo do caminho, ele adiciona, eles descobriram uma variável inteiramente nova que ainda não havia sido contabilizada, um que acabou sendo crítico para a capacidade do polímero dopado de coletar energia térmica de forma eficiente.

Ele diz, "A análise original não abordou a questão da posição dos componentes de dopagem, se os materiais se aglomeram ou não e quanto se aglomeram, ou cluster, como o chamamos. Acontece que o agrupamento é uma variável crítica. "A equipe recorreu ao químico Michael Barnes, um co-autor em seu artigo recente, que usou a microscopia de força de sonda Kelvin para sondar os dopantes no nível nano e mostrar que o agrupamento está realmente presente em polímeros dopados em temperatura ambiente, mas não em temperaturas mais altas.

Com essa confirmação, os pesquisadores se voltaram para a modelagem de uma curva de compensação expandida, diz Upadhyaya. De sua modelagem teórica, ela e Aksamija descobriram que o agrupamento altera a forma dessa curva. Para melhorar a eficiência além da troca de corrente-tensão, deve-se mover toda a curva de compensação, ela diz.

Esta descoberta inesperada deve fornecer um novo caminho para projetar polímeros mais eficientes para dispositivos termoelétricos, dizem os pesquisadores. DV observa que, até agora, químicos e cientistas de materiais têm tentado organizar os polímeros para serem mais parecidos com os inorgânicos, "bem alinhado e muito regular, o que é difícil de fazer, "ele acrescenta." Acontece que este pode não ser o caminho a percorrer; você pode seguir outro caminho ou outra abordagem. Esperamos que este documento forneça uma base para levar adiante a termoelétrica à base de polímero. "