p A energia elétrica pode ser gerada a partir de uma diferença de temperatura em um circuito com materiais adequados. Em simulações, Cientistas da ETH Zurich mostram quais materiais têm maior probabilidade de sucesso em um processo termoelétrico. p Os nanofios parecem batatas fritas longas:cubóides retangulares alongados com mais de 300 células de unidade de silício de comprimento e com uma seção transversal de 9 células de unidade de largura e 9 de altura. Os fios são minúsculos, apenas 160 nanômetros de comprimento e cerca de cinco nanômetros de diâmetro equivalente - 10, 000 vezes mais fino que um fio de cabelo. Os nanofios são revestidos com uma camada atomicamente fina de germânio, sendo a espessura da camada apenas uma a duas células unitárias do material semicondutor.

p Um nanofio de silício-germânio com essa construção é - ou melhor, seria - um candidato valioso para uso em termoeletricidade. O único problema é que, até agora, o minúsculo fio semicondutor nesta forma existe apenas no computador de Ming Hu, um cientista pós-doutorado no grupo de Dimos Poulikakos, Professor de Termodinâmica no Instituto de Tecnologia de Energia. Professor K. Giapis do Instituto de Tecnologia da Califórnia, EUA, que passou sua licença sabática com o grupo Poulikakos na ETH Zurique também colaborou na realização da pesquisa que levou ao desenvolvimento deste fio.

p Nanofios mais eficazes

p A termoeletricidade explora o fato de que a temperatura e a eletricidade podem ser intercambiáveis ​​sob certas condições. Devido ao chamado efeito Seebeck, uma pequena tensão elétrica ocorre em um circuito quando uma diferença de temperatura está presente entre os pontos de contato de dois tipos diferentes de condutores elétricos no circuito. Contudo, nem todos os materiais condutores ou semicondutores são adequados para geração de termeletricidade. Para exibir coeficientes de conversão elevados, tornando um material viável para aplicações realistas, a condutividade térmica do material deve ser tão pequena quanto possível, ao passo que sua condutividade elétrica deve ser grande. Dimos Poulikakos diz, “Esses materiais são praticamente inexistentes na natureza.”

p Portanto, o objetivo do projeto de pesquisa era projetar um material adequado que tivesse essas propriedades. O silício é abandonado na natureza e poderia ser especialmente adequado a esse respeito. Embora a condutividade térmica do silício bruto seja alta, essa condutividade térmica se deteriora assim que o semicondutor é convertido em uma nanoestrutura semelhante a um fio. O professor da ETH Zurique avisa, porém, que “mesmo os nanofios de silício puro não são bons o suficiente para uma conversão de energia eficiente”.

p A camada de germânio reduz ainda mais a condutividade térmica

p Por meio de simulações de computador, Hu Ming agora descobriu como o problema pode ser resolvido. Ele mostrou que os nanofios de silício conduzem o calor ainda mais mal se forem revestidos com uma camada atomicamente fina de germânio, outro semicondutor. A condutividade térmica diminui em 75 por cento em comparação com nanofios de silício puro, e faz isso em temperatura ambiente. Por outro lado, quando Hu adicionou mais camadas de germânio em seu modelo, a condutividade térmica aumentou novamente.

p Os pesquisadores mostraram que a razão para a redução dramática na condutividade térmica dos nanofios de silício revestidos com germânio está nos modos de vibração alterados dos fônons que transportam calor através da rede cristalina. Os comprimentos de onda das partículas foram encurtados e comprimidos na camada interfacial entre o silício e o germânio, que bloqueou o transporte de calor em um grau muito grande.

p Portanto, os pesquisadores concluem que os nanofios de silício finos devem ser revestidos com uma ou duas camadas de germânio para permitir um passo significativo em direção a processos termoelétricos viáveis.

p Do computador ao laboratório

p Os nanofios de Si / Ge ainda existem apenas no computador de Ming Hu. Contudo, o plano é fabricá-los em breve no laboratório de Poulikakos para experimentos reais. Os métodos termoelétricos podem dar uma contribuição importante para a produção de energia alternativa no futuro. Por exemplo, o professor da ETH Zurique pode imaginar que, com a ajuda de instalações adequadas, eles podem ser usados ​​para explorar o calor residual de máquinas ou edifícios para gerar eletricidade, que podem ser armazenados ou alimentados na grade. Com base no atual estado de conhecimento, pode-se imaginar dispositivos que fornecem eletricidade para casas individuais ou equipamentos portáteis. Módulos termoelétricos, por exemplo. tão grande quanto uma mesa de cozinha, também poderia atuar como painéis solares para gerar energia elétrica a partir da energia solar. Contudo, esses são experimentos de pensamento iniciais no momento. Poulikakos avisa que, “Essas aplicações práticas ainda estão muito longe no futuro”