E se você pudesse operar seu ar condicionado sem eletricidade convencional, mas no calor do sol durante um dia quente de verão? Com os avanços na tecnologia termelétrica, esta solução sustentável pode um dia se tornar realidade.

Dispositivos termoelétricos são feitos de materiais que podem converter uma diferença de temperatura em eletricidade, sem a necessidade de peças móveis - uma qualidade que torna a termoelétrica uma fonte de eletricidade potencialmente atraente. O fenômeno é reversível:se a eletricidade for aplicada a um dispositivo termoelétrico, pode produzir uma diferença de temperatura. Hoje, dispositivos termoelétricos são usados ​​para aplicações de energia relativamente baixa, como alimentar pequenos sensores ao longo de oleodutos, backup de baterias em sondas espaciais, e mini-geladeiras de refrigeração.

Mas os cientistas esperam projetar dispositivos termoelétricos mais poderosos que irão colher calor - produzido como um subproduto de processos industriais e motores de combustão - e transformar o calor desperdiçado em eletricidade. Contudo, a eficiência de dispositivos termoelétricos, ou a quantidade de energia que são capazes de produzir, atualmente é limitado.

Agora, pesquisadores do MIT descobriram uma maneira de aumentar essa eficiência três vezes, usando materiais "topológicos", que têm propriedades eletrônicas únicas. Embora trabalhos anteriores tenham sugerido que materiais topológicos podem servir como sistemas termoelétricos eficientes, tem havido pouco entendimento sobre como os elétrons em tais materiais topológicos viajariam em resposta às diferenças de temperatura para produzir um efeito termoelétrico.

Em artigo publicado esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences , os pesquisadores do MIT identificam a propriedade subjacente que torna certos materiais topológicos um material termoelétrico potencialmente mais eficiente, em comparação com os dispositivos existentes.

"Descobrimos que podemos expandir os limites desse material nanoestruturado de uma forma que torne os materiais topológicos um bom material termoelétrico, mais do que semicondutores convencionais como o silício, "diz Te-Huan Liu, um pós-doutorado no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. "No fim, esta poderia ser uma forma de energia limpa para nos ajudar a usar uma fonte de calor para gerar eletricidade, o que diminuirá nossa liberação de dióxido de carbono. "

Liu é o primeiro autor do PNAS papel, que inclui alunos de pós-graduação Jiawei Zhou, Zhiwei Ding, e Qichen Song; Mingda Li, professor assistente do Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear; ex-estudante de graduação Bolin Liao, agora é professor assistente na Universidade da Califórnia em Santa Bárbara; Liang Fu, o Professor Associado de Física Biedenharn; e Gang Chen, o Professor Soderberg e chefe do Departamento de Engenharia Mecânica.

Um caminho percorrido livremente

Quando um material termoelétrico é exposto a um gradiente de temperatura, por exemplo, uma extremidade é aquecida, enquanto o outro é resfriado - os elétrons nesse material começam a fluir da extremidade quente para a extremidade fria, gerar uma corrente elétrica. Quanto maior a diferença de temperatura, quanto mais corrente elétrica é produzida, e mais energia é gerada. A quantidade de energia que pode ser gerada depende das propriedades particulares de transporte dos elétrons em um determinado material.

Os cientistas observaram que alguns materiais topológicos podem ser transformados em dispositivos termoelétricos eficientes por meio da nanoestruturação, uma técnica que os cientistas usam para sintetizar um material padronizando suas características na escala de nanômetros. Os cientistas pensaram que a vantagem termoelétrica dos materiais topológicos vem de uma condutividade térmica reduzida em suas nanoestruturas. Mas não está claro como esse aumento na eficiência se conecta com o material inerente, propriedades topológicas.

Para tentar responder a esta pergunta, Liu e seus colegas estudaram o desempenho termoelétrico do telureto de estanho, um material topológico que é conhecido por ser um bom material termoelétrico. Os elétrons no telureto de estanho também exibem propriedades peculiares que imitam uma classe de materiais topológicos conhecidos como materiais de Dirac.

A equipe teve como objetivo entender o efeito da nanoestruturação no desempenho termoelétrico do telureto de estanho, simulando a maneira como os elétrons viajam pelo material. Para caracterizar o transporte de elétrons, os cientistas costumam usar uma medida chamada de "caminho livre médio, "ou a distância média que um elétron com uma determinada energia viajaria livremente dentro de um material antes de ser espalhado por vários objetos ou defeitos nesse material.

Os materiais nanoestruturados lembram uma colcha de retalhos de pequenos cristais, cada um com bordas, conhecidos como limites de grãos, que separam um cristal do outro. Quando os elétrons encontram esses limites, eles tendem a se espalhar de várias maneiras. Elétrons com longos caminhos livres médios se espalharão fortemente, como balas ricocheteando em uma parede, enquanto os elétrons com caminhos livres médios mais curtos são muito menos afetados.

Em suas simulações, os pesquisadores descobriram que as características eletrônicas do telureto de estanho têm um impacto significativo em seus caminhos livres médios. Eles traçaram a gama de energias de elétrons do telureto de estanho contra os caminhos livres médios associados, e descobri que o gráfico resultante parecia muito diferente daqueles para a maioria dos semicondutores convencionais. Especificamente, para telureto de estanho e possivelmente outros materiais topológicos, os resultados sugerem que os elétrons com maior energia têm um caminho livre médio mais curto, enquanto os elétrons de baixa energia geralmente possuem um caminho livre médio mais longo.

A equipe então analisou como essas propriedades do elétron afetam o desempenho termoelétrico do telureto de estanho, essencialmente somando as contribuições termoelétricas de elétrons com diferentes energias e caminhos livres médios. Acontece que a capacidade do material de conduzir eletricidade, ou gerar um fluxo de elétrons, sob um gradiente de temperatura, é amplamente dependente da energia do elétron.

Especificamente, eles descobriram que elétrons de baixa energia tendem a ter um impacto negativo na geração de uma diferença de voltagem, e, portanto, corrente elétrica. Esses elétrons de baixa energia também têm caminhos livres médios mais longos, o que significa que eles podem ser espalhados por contornos de grão mais intensamente do que elétrons de alta energia.

Dimensionando para baixo

Indo um passo adiante em suas simulações, a equipe examinou o tamanho dos grãos individuais do telureto de estanho para ver se isso tinha algum efeito no fluxo de elétrons sob um gradiente de temperatura. Eles descobriram que quando diminuíram o diâmetro de um grão médio para cerca de 10 nanômetros, aproximando seus limites, eles observaram uma maior contribuição de elétrons de alta energia.

Isso é, com tamanhos de grãos menores, elétrons de alta energia contribuem muito mais para a condução elétrica do material do que elétrons de baixa energia, já que eles têm caminhos livres médios mais curtos e são menos propensos a se espalhar contra os limites dos grãos. Isso resulta em uma diferença de tensão maior que pode ser gerada.

O que mais, os pesquisadores descobriram que diminuir o tamanho médio dos grãos do telureto de estanho para cerca de 10 nanômetros produzia três vezes a quantidade de eletricidade que o material teria produzido com grãos maiores.

Liu diz que embora os resultados sejam baseados em simulações, pesquisadores podem alcançar desempenho semelhante sintetizando telureto de estanho e outros materiais topológicos, e ajustar seu tamanho de grão usando uma técnica de nanoestruturação. Outros pesquisadores sugeriram que a redução do tamanho do grão de um material pode aumentar seu desempenho termelétrico, mas Liu diz que eles presumiram que o tamanho ideal seria muito maior do que 10 nanômetros.

"Em nossas simulações, descobrimos que podemos reduzir o tamanho do grão de um material topológico muito mais do que se pensava anteriormente, e com base neste conceito, podemos aumentar sua eficiência, "Liu diz.

O telureto de estanho é apenas um exemplo de muitos materiais topológicos que ainda não foram explorados. Se os pesquisadores puderem determinar o tamanho de grão ideal para cada um desses materiais, Liu diz que materiais topológicos podem em breve ser viáveis, alternativa mais eficiente para a produção de energia limpa.

"Acho que os materiais topológicos são muito bons para materiais termoelétricos, e nossos resultados mostram que este é um material muito promissor para aplicações futuras, "Liu diz.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.