Os mesmos pesquisadores que foram os pioneiros no uso do efeito da mecânica quântica para converter calor em eletricidade descobriram como fazer sua técnica funcionar de uma forma mais adequada à indústria.

No Nature Communications , engenheiros da Universidade Estadual de Ohio descrevem como usaram magnetismo em um composto de níquel e platina para amplificar a saída de tensão 10 vezes ou mais - não em uma película fina, como fizeram anteriormente, mas em um pedaço de material mais espesso que mais se assemelha aos componentes de futuros dispositivos eletrônicos.

Muitos dispositivos elétricos e mecânicos, como motores de automóveis, produzem calor como um subproduto de sua operação normal. É chamado de "calor residual, "e sua existência é exigida pelas leis fundamentais da termodinâmica, explicou o co-autor do estudo Stephen Boona.

Mas uma área crescente de pesquisa chamada termoelétrica de estado sólido visa capturar esse calor residual dentro de materiais especialmente projetados para gerar energia e aumentar a eficiência energética geral.

"Mais da metade da energia que usamos é desperdiçada e entra na atmosfera como calor, "disse Boona, um pesquisador de pós-doutorado no estado de Ohio. "A termoelétrica de estado sólido pode nos ajudar a recuperar parte dessa energia. Esses dispositivos não têm partes móveis, não se desgasta, são robustos e não requerem manutenção. Infelizmente, Até a presente data, eles também são muito caros e não muito eficientes para garantir o uso generalizado. Estamos trabalhando para mudar isso. "

Em 2012, o mesmo grupo de pesquisa do estado de Ohio, liderado por Joseph Heremans, demonstraram que os campos magnéticos podem impulsionar um efeito de mecânica quântica chamado efeito de spin Seebeck, e, por sua vez, aumenta a tensão de saída de filmes finos feitos de materiais nanoestruturados exóticos de alguns microvolts para alguns milivolts.

Neste último avanço, eles aumentaram a produção de um composto de dois metais muito comuns, níquel com uma pitada de platina, de alguns nanovolts a dezenas ou centenas de nanovolts - uma voltagem menor, mas em um dispositivo muito mais simples que não requer nanofabricação e pode ser prontamente ampliado para a indústria.

Heremans, um professor de engenharia mecânica e aeroespacial e o Ohio Eminent Scholar em Nanotecnologia, disse isso, até certo ponto, usar a mesma técnica em peças mais grossas de material exigiu que ele e sua equipe repensassem as equações que regem a termodinâmica e a termoeletricidade, que foram desenvolvidos antes que os cientistas conhecessem a mecânica quântica. E embora a mecânica quântica muitas vezes diga respeito a fótons - ondas e partículas de luz - a pesquisa de Heremans diz respeito a magnons - ondas e partículas de magnetismo.

"Basicamente, a termodinâmica clássica cobre os motores a vapor que usam o vapor como fluido de trabalho, ou motores a jato ou motores de automóveis que usam ar como fluido de trabalho. A termoelétrica usa elétrons como fluido de trabalho. E neste trabalho, estamos usando quanta de magnetização, ou 'magnons, 'como um fluido de trabalho, "Heremans disse.

A pesquisa em termodinâmica baseada em magnons até agora era sempre feita em filmes finos - talvez com apenas alguns átomos de espessura - e mesmo os filmes de melhor desempenho produzem voltagens muito pequenas.

No jornal de 2012, sua equipe descreveu o acerto de elétrons com magnons para empurrá-los através de materiais termoelétricos. No atual artigo da Nature Communications, eles mostraram que a mesma técnica pode ser usada em peças a granel de materiais compostos para melhorar ainda mais a recuperação do calor residual.

Em vez de aplicar uma fina película de platina em cima de um material magnético, como deveriam ter feito antes, os pesquisadores distribuíram uma quantidade muito pequena de nanopartículas de platina aleatoriamente em um material magnético - neste caso, níquel. O composto resultante produziu saída de tensão aprimorada devido ao efeito de rotação Seebeck. Isso significa que para uma determinada quantidade de calor, o material composto gerou mais energia elétrica do que qualquer material poderia por si só. Uma vez que toda a peça do compósito é eletricamente condutora, outros componentes elétricos podem extrair a voltagem dele com maior eficiência em comparação com um filme.

Embora o composto ainda não faça parte de um dispositivo do mundo real, Heremans está confiante de que a prova de princípio estabelecida por este estudo inspirará novas pesquisas que podem levar a aplicações para geradores de calor de resíduos comuns, incluindo motores de automóveis e jato. A ideia é muito geral, ele adicionou, e pode ser aplicado a uma variedade de combinações de materiais, permitindo abordagens inteiramente novas que não requerem metais caros como platina ou procedimentos de processamento delicados como crescimento de película fina.