Um novo tipo de material gera corrente elétrica de forma muito eficiente a partir de diferenças de temperatura. Isso permite que sensores e pequenos processadores se alimentem de energia sem fio.

Os materiais termoelétricos podem converter calor em energia elétrica. Isso se deve ao chamado efeito Seebeck:se houver uma diferença de temperatura entre as duas extremidades de tal material, tensão elétrica pode ser gerada e a corrente pode começar a fluir. A quantidade de energia elétrica que pode ser gerada em uma determinada diferença de temperatura é medida pelo chamado valor ZT:quanto maior o valor ZT de um material, melhor serão suas propriedades termoelétricas.

As melhores termelétricas até o momento foram medidas em valores de ZT em torno de 2,5 a 2,8. Cientistas da TU Wien (Viena) conseguiram desenvolver um material completamente novo com um valor ZT de 5 a 6. É uma fina camada de ferro, vanádio, tungstênio e alumínio aplicados a um cristal de silício.

O novo material é tão eficaz que poderia ser usado para fornecer energia para sensores ou mesmo pequenos processadores de computador. Em vez de conectar pequenos dispositivos elétricos a cabos, eles poderiam gerar sua própria eletricidade a partir de diferenças de temperatura. O novo material já foi apresentado na revista. Natureza .

Eletricidade e Temperatura

"Um bom material termoelétrico deve apresentar um forte efeito Seebeck, e deve atender a dois requisitos importantes que são difíceis de conciliar, "diz o professor Ernst Bauer do Instituto de Física do Estado Sólido da TU Wien." Por um lado, deve conduzir eletricidade da melhor maneira possível; por outro lado, deve transportar o calor o menos possível. Este é um desafio porque a condutividade elétrica e a condutividade térmica geralmente estão intimamente relacionadas. "

No Laboratório Christian Doppler de Termoeletricidade, que Ernst Bauer estabeleceu na TU Wien em 2013, diferentes materiais termoelétricos para diferentes aplicações têm sido estudados nos últimos anos. Esta pesquisa agora levou à descoberta de um material particularmente notável - uma combinação de ferro, vanádio, tungstênio e alumínio.

"Os átomos neste material são geralmente organizados em um padrão estritamente regular em uma chamada rede cúbica centrada na face, "diz Ernst Bauer." A distância entre dois átomos de ferro é sempre a mesma, e o mesmo é verdade para os outros tipos de átomos. Todo o cristal é, portanto, completamente regular. "

Contudo, quando uma fina camada do material é aplicada ao silício, algo incrível acontece:a estrutura muda radicalmente. Embora os átomos ainda formem um padrão cúbico, eles agora estão dispostos em uma estrutura centrada no espaço, e a distribuição dos diferentes tipos de átomos torna-se completamente aleatória. "Dois átomos de ferro podem sentar-se um ao lado do outro, os lugares próximos a eles podem ser ocupados por vanádio ou alumínio, e não há mais nenhuma regra que dite onde o próximo átomo de ferro será encontrado no cristal, "explica Bauer.

Essa mistura de regularidade e irregularidade do arranjo atômico também muda a estrutura eletrônica, que determina como os elétrons se movem no sólido. “A carga elétrica se move pelo material de uma maneira especial, para que seja protegido de processos de dispersão. As porções de carga que viajam através do material são chamadas de férmions de Weyl, "diz Ernst Bauer. Desta forma, uma resistência elétrica muito baixa é alcançada.

Vibrações treliçadas, por outro lado, que transportam calor de locais de alta temperatura para locais de baixa temperatura, são inibidos pelas irregularidades na estrutura cristalina. Portanto, diminui a condutividade térmica. Isso é importante se a energia elétrica deve ser gerada permanentemente a partir de uma diferença de temperatura - porque se as diferenças de temperatura pudessem se equilibrar muito rapidamente e todo o material logo teria a mesma temperatura em todos os lugares, o efeito termoelétrico seria paralisado.

Eletricidade para a Internet das Coisas

"Claro, uma camada tão fina não pode gerar uma quantidade particularmente grande de energia, mas tem a vantagem de ser extremamente compacto e adaptável, "diz Ernst Bauer." Queremos usá-lo para fornecer energia para sensores e pequenas aplicações eletrônicas. "A demanda por esses geradores de pequena escala está crescendo rapidamente:Na" Internet das Coisas, "cada vez mais dispositivos são interligados on-line para que coordenem automaticamente seu comportamento uns com os outros. Isso é particularmente promissor para futuras instalações de produção, onde uma máquina tem que reagir dinamicamente a outra.

"Se você precisa de um grande número de sensores em uma fábrica, você não pode conectar todos eles juntos. É muito mais inteligente para os sensores serem capazes de gerar sua própria energia usando um pequeno dispositivo termoelétrico, "diz Bauer.