Assim como um interruptor elétrico regula o fluxo de corrente elétrica, os interruptores térmicos podem controlar o fluxo de calor. Esses interruptores servem como dispositivos de controle térmico e são úteis para aplicações de gerenciamento térmico. Por exemplo, eles podem ser usados ​​em indústrias para reduzir o calor residual, resultando em economia de custos e energia. Esses interruptores requerem materiais cuja condutividade térmica (κ) possa ser modulada em grande medida. Isso permitiria que o interruptor tivesse um estado "ligado" e "desligado", dependendo da condutividade térmica. No entanto, tais materiais são raros e difíceis de desenvolver, e aqueles que foram desenvolvidos mostram apenas pequenas variações reversíveis em seu κ.
Agora, em um estudo publicado em Advanced Electronic Materials , pesquisadores do Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) e do National Institute for Materials Science, do Japão, levaram as coisas para o próximo nível com um material que pode atingir uma grande variação em seu κ alterando a dimensionalidade de sua estrutura cristalina. A equipe conseguiu esse feito notável usando uma solução sólida de seleneto de chumbo (PbSe) e seleneto de estanho (SnSe), que pode alternar entre uma estrutura cristalina cúbica tridimensional (3D) e uma estrutura cristalina em camadas bidimensional (2D) com mudanças de temperatura.

Nos sólidos, o calor é transportado por dois processos diferentes, a saber, as vibrações da rede cristalina e o fluxo de portadores de carga elétrica. Portanto, a condutividade térmica de um sólido depende tanto da estrutura cristalina quanto da estrutura eletrônica.

Em seu estudo, os pesquisadores conseguiram obter diferentes valores de κ em a (Pb_0,5 Sn_0,5 ) Se liga alterando a dimensionalidade da estrutura cristalina devido aos diferentes arranjos de átomos e band gaps em cada estrutura cristalina em relação à outra. "O material que escolhemos para nosso estudo são policristais a granel de (Pb_0,5 Sn_0,5 )Se, que mostra um limite de fase direto entre as estruturas cristalinas 3D e 2D. Conseguimos isso extinguindo termicamente a fase de solução sólida de alta temperatura até a temperatura ambiente", explica o professor Takayoshi Katase, da Tokyo Tech, envolvido no estudo.

Os pesquisadores poderiam alternar reversivelmente entre as dimensionalidades da estrutura cristalina 3D e 2D do (Pb_0,5 Sn_0,5 )Se policristais simplesmente aquecendo e resfriando o material. No estado aquecido, o material assumiu uma estrutura cristalina 3D com uma estrutura eletrônica metálica, o que resultou em uma alta condutividade térmica eletrônica e de rede. Quando resfriado, por outro lado, mudou para uma estrutura cristalina 2D com uma estrutura eletrônica semicondutora e um κ amplamente reduzido. A uma temperatura de 373 K (100°C), observou-se que o κ para a fase 3D era 3,6 vezes maior do que para a fase 2D.

Essa nova abordagem para alterar κ pode abrir caminho para o projeto de mais materiais com potenciais aplicações em gerenciamento térmico. "Acreditamos que a presente estratégia levará a um novo conceito para projetar material de comutação térmica através da alteração da dimensionalidade da estrutura cristalina através dos limites de fase fora de equilíbrio", diz o Prof. Katase. + Explorar mais

Mudança de condutividade eletrônica gigante impulsionada por mudança artificial de dimensionalidade de cristal