Uma equipe internacional liderada por pesquisadores da Universidade do Texas em Dallas e da Universidade Nankai, na China, descobriu uma nova tecnologia para refrigeração baseada em fibras torcidas e destorcidas.

Em pesquisa publicada na edição de 11 de outubro da revista Ciência , eles demonstraram refrigeração baseada em torção usando materiais tão diversos como borracha natural, linha de pesca comum e fio de níquel titânio.

"Nosso grupo demonstrou o que chamamos de 'resfriamento twistocalórico', alterando a torção nas fibras. Chamamos de resfriadores que usam trocas de torção para refrigeração 'refrigeradores giratórios, '"disse o Dr. Ray Baughman, diretor do Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute da UT Dallas. Baughman é o autor correspondente do estudo, junto com o Dr. Zunfeng Liu, professora do Laboratório Estadual de Biologia Química Medicinal na Faculdade de Farmácia da Universidade de Nankai em Tianjin.

A busca por novas tecnologias

De acordo com o Instituto Internacional de Refrigeração, refrigeração e ar condicionado consomem cerca de 20% da energia elétrica global. Os refrigeradores convencionais também liberam gases que contribuem significativamente para o aquecimento global.

Como o consumo continua a crescer, especialmente devido às necessidades crescentes das nações em desenvolvimento, pesquisadores estão investigando tecnologias alternativas de resfriamento para aumentar a eficiência da refrigeração, reduzir custos e reduzir o tamanho.

Esticar um elástico aquece a borracha, e liberar o estiramento o esfria:isso é chamado de resfriamento elastocalórico. Outras substâncias sólidas para resfriamento incluem materiais eletrocalóricos e magnetocalóricos, que resfriam por meio de mudanças nos campos elétricos e magnéticos, respectivamente.

"Este comportamento elastocalórico da borracha natural é conhecido desde o início de 1800. Mas para obter alto resfriamento de um elástico, você tem que liberar um trecho muito grande, "Disse Baughman." Com o resfriamento twistocalórico, descobrimos que tudo o que você precisa fazer é lançar o twist. "

Os experimentos

As equipes de pesquisa de Baughman desenvolveram anteriormente músculos artificiais feitos por fibras retorcidas e enroladas que variam de fios de nanotubo de carbono a fios de náilon comuns e linhas de pesca de polietileno.

No trabalho atual, os cientistas esticaram fibras de borracha, em seguida, torceu-os até que não apenas enrolassem, mas também superenrolado. A liberação rápida da torção resultou no resfriamento da temperatura da superfície de 15,5 graus Celsius. Liberar a torção e o estiramento da borracha produziu um resfriamento ainda maior de 16,4 graus Celsius.

O resfriamento twistocalórico também funcionou para a linha de pesca. Os pesquisadores inseriram a torção na linha de pesca de polímero não elástico até que as bobinas se formassem. O alongamento da fibra enrolada causou aquecimento, enquanto a liberação de estiramento produziu um resfriamento máximo da superfície de 5,1 graus Celsius.

"Ao empregar direções opostas de torção e enrolamento, nós projetamos fibras que resfriam quando esticadas, "disse Baughman, Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry na School of Natural Sciences and Mathematics. "Este é um comportamento bastante incomum, pois os materiais comuns esquentam quando esticados."

Para investigar a origem do efeito de resfriamento na linha de pesca, os pesquisadores se voltaram para a cristalografia de raios-X, o que lhes permitiu determinar o que estava acontecendo no nível molecular quando a torção foi alterada ao esticar uma fibra enrolada.

"Descobrimos que a liberação de estiramento de uma fibra em espiral resulta na conversão parcial de uma fase de baixa entropia em uma fase de alta entropia, "Liu disse." Essa mudança de fase causa o resfriamento torácico. "

Aplicações potenciais

Um grande resfriamento reversível também foi obtido removendo a torção dos fios de níquel titânio e desamarrando os feixes desses fios. Um resfriamento máximo da superfície de 17 graus Celsius foi observado quando os pesquisadores destorceram um único fio. A desconexão de um feixe de quatro fios produziu um resfriamento ainda maior de 20,8 graus Celsius.

Os pesquisadores colocaram um cabo de fio de níquel titânio de três camadas em um dispositivo que eles construíram para resfriar um fluxo de água em até 7,7 graus Celsius quando o cabo foi desconectado. "Usando mais ciclos de torção e liberação de torção, um resfriamento muito maior pode ser alcançado, "Liu disse.

Em outro conjunto de experimentos, eles revestiram os diferentes tipos de fibras com tinta termocrômica, que muda de cor em resposta às variações de temperatura produzidas pela torção das fibras ou pelo alongamento das fibras em espiral. Essas fibras podem ser usadas para sensores legíveis remotamente de tensão e torção, bem como para têxteis que mudam de cor para roupas.

"Muitos desafios e oportunidades existem no caminho dessas descobertas iniciais para a comercialização de geladeiras de torção para diversas aplicações de grande e pequena escala, "Baughman disse." Entre os desafios está a necessidade de demonstrar dispositivos e materiais refinados que forneçam tempos de vida e eficiências de ciclo direcionados à aplicação, recuperando parte da energia mecânica fornecida. As oportunidades incluem o uso de materiais twistocalóricos com desempenho otimizado, em vez dos poucos candidatos disponíveis comercialmente atualmente estudados. "