p Os pesquisadores de engenharia do Rensselaer Polytechnic Institute desenvolveram um novo método para a criação de nanomateriais avançados que podem levar a refrigeradores e sistemas de refrigeração altamente eficientes, sem necessidade de refrigerantes e peças móveis. Os principais ingredientes para esta inovação são uma pitada de enxofre em nanoescala e um normal, forno de microondas todos os dias. p No coração desses sistemas de resfriamento de estado sólido estão materiais termoelétricos, que pode converter eletricidade em uma variedade de temperaturas diferentes - de quente a fria. Os refrigeradores termoelétricos que empregam esses princípios estão disponíveis há mais de 20 anos, mas eles ainda são pequenos e altamente ineficientes. Isso ocorre principalmente porque os materiais usados ​​nos dispositivos de resfriamento termoelétricos atuais são caros e difíceis de fazer em grandes quantidades, e não têm a combinação necessária de propriedades térmicas e elétricas. Um novo estudo, publicado hoje no jornal Materiais da Natureza , supera esses desafios e abre a porta para uma nova geração de alto desempenho, refrigeração de estado sólido e ar condicionado com boa relação custo-benefício.

p O professor Rensselaer Ganpati Ramanath conduziu o estudo, em colaboração com os colegas Theodorian Borca-Tasciuc e Richard W. Siegel.

p O impulsionador desse avanço na pesquisa é a ideia de contaminar intencionalmente, ou doping, materiais termoelétricos nanoestruturados com quantidades quase inexistentes de enxofre. Os materiais dopados são obtidos cozinhando-se o material e o dopante juntos por alguns minutos em um forno de micro-ondas de $ 40 comprado em uma loja. O pó resultante é formado em pelotas do tamanho de uma ervilha pela aplicação de calor e pressão de forma a preservar as propriedades conferidas pela nanoestruturação e dopagem. Essas pelotas exibem propriedades melhores do que os materiais termoelétricos difíceis de fabricar atualmente disponíveis no mercado. Adicionalmente, este novo método para criar os pellets dopados é muito mais rápido, mais fácil, e mais barato do que os métodos convencionais de fabricação de materiais termoelétricos.

p "Esta não é uma descoberta isolada. Em vez disso, desenvolvemos e demonstramos uma nova maneira de criar uma classe totalmente nova de materiais termoelétricos dopados com propriedades superiores, "disse Ramanath, um membro do corpo docente do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais em Rensselaer. "Nossas descobertas realmente têm o potencial de transformar o panorama da tecnologia de refrigeração e causar um impacto real em nossas vidas."

p Tentar projetar materiais termoelétricos é como jogar um jogo de "cabo de guerra, "Ramanath disse. Os pesquisadores se esforçam para controlar três propriedades separadas do material:condutividade elétrica, condutividade térmica, e coeficiente de Seebeck. Manipulando uma dessas propriedades, Contudo, afeta necessariamente os outros dois. Este novo estudo demonstra uma nova maneira de minimizar a interdependência dessas três propriedades, combinando dopagem e nanoestruturação em materiais termoelétricos bem conhecidos, como teluretos e selenetos à base de bismuto e antimônio.

p O objetivo de ajustar essas três propriedades é criar um material termoelétrico com uma alta figura de mérito, ou ZT, que é uma medida de quão eficiente o material é na conversão de calor em eletricidade. Os novos pellets de nanomateriais do tamanho de ervilhas desenvolvidos pela equipe de Rensselaer demonstraram um ZT de 1 a 1,1 em temperatura ambiente. Uma vez que tais valores elevados são obtidos mesmo sem otimizar o processo, os pesquisadores estão confiantes de que ZT mais alto pode ser obtido com alguma engenharia inteligente.

p "É realmente incrível como as nanoestruturas temperadas com apenas alguns átomos de enxofre podem levar a tais propriedades termoelétricas superiores do material a granel feito das nanoestruturas, e nos permite colher os benefícios da nanoestruturação em uma macroescala, "Ramanath disse.

p Uma faceta importante da descoberta é a capacidade de fazer nanomateriais termoelétricos do tipo p (carga positiva) e do tipo n (carga negativa) com alto ZT. Até agora, pesquisadores em todo o mundo só conseguiram fazer grandes quantidades de materiais do tipo p com alto ZT.

p Adicionalmente, o novo estudo mostra que a equipe de pesquisa de Rensselaer pode fazer lotes de 10 a 15 gramas (o suficiente para fazer vários pellets do tamanho de ervilhas) do nanomaterial dopado em dois a três minutos com um forno de micro-ondas. Quantidades maiores podem ser produzidas usando fornos de microondas de tamanho industrial.

p "Nossa capacidade de produzir de forma escalável e econômica materiais do tipo p e n com um alto ZT abre o caminho para a fabricação de dispositivos de resfriamento de alta eficiência, bem como dispositivos termoelétricos de estado sólido para coletar calor residual ou calor solar em eletricidade, "disse Borca-Tasciuc, professor do Departamento de Mecânica, Aeroespacial, e Engenharia Nuclear em Rensselaer.

p "Esta é uma descoberta muito empolgante porque combina a realização de novas e úteis propriedades termoelétricas com uma rota de processamento demonstrada para aplicações industriais, "disse Siegel, o Professor Robert W. Hunt de Ciência e Engenharia de Materiais em Rensselaer.

p O estudante de graduação Rensselaer Rutvik J. Mehta realizou este trabalho para sua tese de doutorado. Mehta, Ramanath, e Borca-Tasciuc registraram uma patente e formaram uma nova empresa, ThermoAura Inc., para desenvolver e comercializar ainda mais a nova tecnologia de materiais termoelétricos. Desde então, Mehta se formou e agora é pós-doutorado associado na Rensselaer. Ele também atua como presidente da ThermoAura.

p Além de geladeiras e ar-condicionado, os pesquisadores imaginam que essa tecnologia poderia um dia ser usada para resfriar chips de computador.

p Junto com Ramanath, Borca-Tasciuc, Siegel, e Mehta, os co-autores do artigo são Yanliang Zhang, estudantes de pós-graduação de Rensselaer, Chinnathambi Karthik, e Binay Singh.