p (PhysOrg.com) - Computadores, lâmpadas, e até mesmo as pessoas geram calor - energia que acaba sendo desperdiçada. Com um dispositivo termoelétrico, que converte calor em eletricidade e vice-versa, você pode aproveitar essa energia desperdiçada. Dispositivos termoelétricos são anunciados para uso em refrigeradores novos e eficientes, e outras máquinas de resfriamento ou aquecimento. Mas os projetos atuais não são eficientes o suficiente para uso comercial generalizado ou são feitos de materiais raros que são caros e prejudiciais ao meio ambiente. p Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) desenvolveram um novo tipo de material - feito de silício, o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre - que poderia levar a dispositivos termoelétricos mais eficientes. O material - um tipo de nanomesh - é composto de um filme fino com um arranjo em forma de grade de minúsculos orifícios. Este design exclusivo torna difícil para o calor viajar através do material, reduzindo sua condutividade térmica para perto do limite teórico do silício. Ao mesmo tempo, o design permite que a eletricidade flua tão bem quanto no silício não modificado.

p “Em termos de controle da condutividade térmica, são dispositivos bastante sofisticados, "diz James Heath, a professora Elizabeth W. Gilloon e professora de química na Caltech, quem liderou o trabalho. Um artigo sobre a pesquisa será publicado na edição de outubro da revista. Nature Nanotechnology .

p Uma estratégia importante para tornar os materiais termoelétricos eficientes em termos de energia é diminuir a condutividade térmica sem afetar a condutividade elétrica, que é o quão bem a eletricidade pode viajar através da substância. Heath e seus colegas já haviam feito isso usando nanofios de silício - fios de silício que são 10 a 100 vezes mais estreitos do que os usados ​​atualmente em microchips de computador. Os nanofios funcionam impedindo o calor enquanto permitem que os elétrons fluam livremente.

p Em qualquer material, o calor viaja através dos fônons - pacotes quantizados de vibração que são semelhantes aos fótons, que são eles próprios pacotes quantizados de ondas de luz. Conforme os fônons percorrem o material, eles entregam calor de um ponto a outro. Nanofios, por causa de seus tamanhos minúsculos, têm uma grande área de superfície em relação ao seu volume. E uma vez que os fônons se espalham por superfícies e interfaces, é mais difícil para eles atravessar um nanofio sem saltar para o lado errado. Como resultado, um nanofio resiste ao fluxo de calor, mas permanece eletricamente condutor.

p Mas criar nanofios cada vez mais estreitos é eficaz apenas até certo ponto. Se o nanofio for muito pequeno, terá tanta área de superfície relativa que até mesmo os elétrons se espalharão, fazendo com que a condutividade elétrica despencasse e negando os benefícios termoelétricos do espalhamento de fônons.

p Para contornar este problema, a equipe do Caltech construiu um material nanomesh a partir de uma folha de silício de 22 nanômetros de espessura. (Um nanômetro é um bilionésimo de um metro.) A folha de silício é convertida em uma malha - semelhante a uma tela de janela minúscula - com uma matriz altamente regular de orifícios de 11 ou 16 nanômetros de largura que estão separados por apenas 34 nanômetros.

p Em vez de espalhar os fônons que viajam por ele, a nanomesh muda a maneira como esses fônons se comportam, essencialmente desacelerando-os. As propriedades de um determinado material determinam o quão rápido os fônons podem ir, e acontece que - pelo menos em silício - a estrutura da malha reduz esse limite de velocidade. No que diz respeito aos fonons, a nanomesh não é mais silício. "A nanomesh não se comporta mais da maneira típica do silício, "diz Slobodan Mitrovic, um pós-doutorado em química na Caltech. Jen-Kan Yu, estudante de pós-graduação da Caltech, são os primeiros autores do Nature Nanotechnology papel.

p Quando os pesquisadores compararam a nanomesh aos nanofios, eles descobriram que - apesar de terem uma proporção de área de superfície para volume muito maior - os nanofios ainda eram duas vezes mais termicamente condutores do que a nanomesh. Os pesquisadores sugerem que a diminuição da condutividade térmica observada na nanomesh é de fato causada pela desaceleração dos fônons, e não por fônons se espalhando pela superfície da malha. A equipe também comparou a nanomesh a um filme fino e a uma folha de silício em forma de grade com características cerca de 100 vezes maiores do que a nanomesh; tanto o filme quanto a grade tinham condutividades térmicas cerca de 10 vezes maiores do que a da nanomesh.

p Embora a condutividade elétrica da nanomesh permaneça comparável à regular, silício a granel, sua condutividade térmica foi reduzida para perto do limite inferior teórico para o silício. E os pesquisadores dizem que podem baixá-lo ainda mais. "Agora que mostramos que podemos desacelerar os fônons, "Heath diz, "quem disse que não podemos atrasá-los muito mais?"

p Os pesquisadores agora estão experimentando diferentes materiais e arranjos de orifícios para otimizar seu design. "Um dia, podemos ser capazes de projetar um material onde você não só pode diminuir a velocidade dos fonons, mas você pode excluir os fônons que carregam calor juntos, "Mitrovic diz." Esse seria o objetivo final. "