Um efeito de chocalho coletivo recém-descoberto em um tipo de semicondutor cristalino bloqueia a maior parte da transferência de calor enquanto preserva a alta condutividade elétrica - um par raro que os cientistas dizem que pode reduzir o acúmulo de calor em dispositivos eletrônicos e motores de turbina, entre outras aplicações possíveis.

Uma equipe liderada por cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) descobriu essas características exóticas em uma classe de materiais conhecida como perovskitas de haleto, que também são considerados candidatos promissores para painéis solares de próxima geração, lasers em nanoescala, resfriamento eletrônico, e displays eletrônicos.

Essas propriedades térmicas e elétricas (ou "termoelétricas") inter-relacionadas foram encontradas em fios em nanoescala de iodeto de césio-estanho (CsSnI ₃ ) Observou-se que o material possui um dos menores níveis de condutividade térmica entre os materiais com estrutura cristalina contínua.

Este chamado material de cristal único também pode ser mais facilmente produzido em grandes quantidades do que os materiais termoelétricos típicos, como silício-germânio, pesquisadores disseram.

"Suas propriedades se originam da própria estrutura do cristal. É um tipo de fenômeno atômico, "disse Woochul Lee, um pesquisador de pós-doutorado no Berkeley Lab que foi o principal autor do estudo, publicado na semana de 31 de julho na Proceedings of the National Academy of Sciences Diário. Estes são os primeiros resultados publicados relativos ao desempenho termoelétrico desse material monocristalino.

Os pesquisadores pensaram anteriormente que as propriedades térmicas do material eram o produto de átomos "enjaulados" chacoalhando dentro da estrutura cristalina do material, como foi observado em alguns outros materiais. Esse barulho pode servir para interromper a transferência de calor em um material.

"Inicialmente pensamos que fossem átomos de césio, um elemento pesado, movendo-se no material, "disse Peidong Yang, um cientista sênior do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab que liderou o estudo.

Jeffrey Grossman, um pesquisador do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, em seguida, realizou alguns trabalhos teóricos e simulações computadorizadas que ajudaram a explicar o que a equipe havia observado. Os pesquisadores também usaram a Fundição Molecular do Berkeley Lab, que é especializada em pesquisa em nanoescala, no estudo.

"Acreditamos que haja essencialmente um mecanismo de chocalho, não apenas com o césio. É a estrutura geral que está chocando; é um barulho coletivo, "Yang disse." O mecanismo de chocalho está associado à própria estrutura do cristal, "e não é o produto de uma coleção de minúsculas gaiolas de cristal." É o movimento atômico do grupo, " ele adicionou.

Dentro da estrutura cristalina do material, a distância entre os átomos está diminuindo e crescendo de uma forma coletiva que impede que o calor flua facilmente.

Mas porque o material é composto de uma ordem, estrutura de cristal único, a corrente elétrica ainda pode fluir através dele, apesar desse barulho coletivo. Imagine que sua condutividade elétrica é como um submarino viajando suavemente em calmas correntes subaquáticas, ao passo que sua condutividade térmica é como um veleiro sacudindo em mares agitados na superfície.

Yang disse que duas aplicações principais para materiais termoelétricos estão no resfriamento, e na conversão de calor em corrente elétrica. Para este material de iodeto de césio e estanho em particular, aplicações de resfriamento, como um revestimento para ajudar a resfriar os sensores eletrônicos da câmera, podem ser mais fáceis de alcançar do que a conversão de calor em elétrica. ele disse.

Um desafio é que o material é altamente reativo ao ar e à água, portanto, requer um revestimento protetor ou encapsulamento para funcionar em um dispositivo.

O iodeto de césio-estanho foi descoberto pela primeira vez como um material semicondutor décadas atrás, e apenas nos últimos anos foi redescoberto por suas outras características únicas, Yang disse. "Acontece que é uma incrível mina de ouro de propriedades físicas, " ele notou.

Para medir a condutividade térmica do material, os pesquisadores uniram duas ilhas de um material de ancoragem com um nanofio de iodeto de césio e estanho. O nanofio era conectado em ambas as extremidades a micro-ilhas que funcionavam tanto como aquecedor quanto como termômetro. Os pesquisadores aqueceram uma das ilhas e mediram com precisão como o nanofio transportava calor para a outra ilha.

Eles também realizaram microscopia eletrônica de varredura para medir com precisão as dimensões do nanofio. Eles usaram essas dimensões para fornecer uma medida exata da condutividade térmica do material. A equipe repetiu o experimento com vários materiais de nanofios diferentes e várias amostras de nanofios para comparar propriedades termoelétricas e verificar as medições de condutividade térmica.

"Uma próxima etapa é ligar este material (iodeto de césio-estanho), "Disse Lee." Isso pode melhorar as propriedades termoelétricas. "

Também, assim como os fabricantes de chips de computador implantam uma sucessão de elementos em pastilhas de silício para melhorar suas propriedades eletrônicas - um processo conhecido como "doping" - os cientistas esperam usar técnicas semelhantes para explorar mais plenamente as características termoelétricas desse material semicondutor. Este é um território relativamente inexplorado para esta classe de materiais, Yang disse.