Cientistas da Universidade do Colorado em Boulder encontraram uma maneira criativa de melhorar radicalmente os materiais termoelétricos, uma descoberta que pode um dia levar ao desenvolvimento de painéis solares melhorados, equipamentos de resfriamento com maior eficiência energética, e até mesmo a criação de novos dispositivos que poderiam transformar a vasta quantidade de calor desperdiçada nas usinas em mais eletricidade.

A técnica - construir uma série de pequenos pilares em cima de uma folha de material termoelétrico - representa uma forma inteiramente nova de atacar um problema centenário, disse Mahmoud Hussein, um professor assistente de ciências da engenharia aeroespacial que foi o pioneiro na descoberta.

O efeito termoelétrico, descoberto pela primeira vez em 1800, refere-se à capacidade de gerar uma corrente elétrica a partir de uma diferença de temperatura entre um lado de um material e o outro. Por outro lado, aplicar uma voltagem elétrica a um material termoelétrico pode fazer com que um lado do material aqueça enquanto o outro permanece frio, ou, alternativamente, um lado para esfriar enquanto o outro permanece quente.

Dispositivos que incorporam materiais termoelétricos têm sido usados ​​de duas maneiras:para criar eletricidade a partir de uma fonte de calor, como o sol, por exemplo, ou para resfriar instrumentos de precisão consumindo eletricidade.

Contudo, o uso generalizado de materiais termelétricos foi prejudicado por um problema fundamental que manteve os cientistas ocupados por décadas. Os materiais que permitem que a eletricidade flua através deles também permitem que o calor flua através deles. Isso significa que, ao mesmo tempo, uma diferença de temperatura cria um potencial elétrico, a própria diferença de temperatura começa a se dissipar, enfraquecendo a corrente que ele criou.

Até a década de 1990, os cientistas resolveram esse problema procurando materiais com propriedades intrínsecas que permitissem que a eletricidade fluísse mais facilmente do que o calor.

"Até 20 anos atrás, as pessoas estavam olhando para a química dos materiais, "Hussein disse." E então a nanotecnologia entrou em cena e permitiu aos pesquisadores projetar os materiais para as propriedades que desejavam. "

Usando nanotecnologia, os físicos materiais começaram a criar barreiras em materiais termoelétricos - como buracos ou partículas - que impediam o fluxo de calor mais do que o fluxo de eletricidade. Mas mesmo no melhor cenário, o fluxo de elétrons - que transportam energia elétrica - também foi retardado.

Em um novo estudo publicado na revista Cartas de revisão física , Hussein e o estudante de doutorado Bruce Davis demonstram que a nanotecnologia poderia ser usada de uma maneira totalmente diferente para diminuir a transferência de calor sem afetar o movimento dos elétrons.

O novo conceito envolve a construção de uma série de pilares em nanoescala no topo de uma folha de um material termoelétrico, como o silício, para formar o que os autores chamam de "metamaterial nanofonônico". O calor é transportado pelo material como uma série de vibrações, conhecidos como fônons. Os átomos que constituem os pilares em miniatura também vibram em uma variedade de frequências. Davis e Hussein usaram um modelo de computador para mostrar que as vibrações dos pilares interagiriam com as vibrações dos fônons, diminuindo o fluxo de calor. Não se espera que as vibrações do pilar afetem a corrente elétrica.

A equipe estima que seus pilares em nanoescala podem reduzir o fluxo de calor através de um material pela metade, mas a redução pode ser significativamente mais forte porque os cálculos foram feitos de forma muito conservadora, Disse Hussein.

"Se pudermos melhorar a conversão de energia termoelétrica significativamente, haverá todos os tipos de aplicações práticas importantes, "Disse Hussein. Isso inclui a recaptura do calor residual emitido por diferentes tipos de equipamentos - de laptops a carros e usinas de energia - e transformar esse calor em eletricidade. Termoelétricas melhores também podem melhorar muito a eficiência dos painéis solares e dispositivos de refrigeração.

O próximo passo é Hussein fazer parceria com colegas do departamento de física e outras instituições para fabricar os pilares para que a ideia possa ser testada em laboratório. "Isso ainda está no início da fase de demonstração em laboratório, mas as etapas restantes estão ao nosso alcance."

Hussein também espera refinar ainda mais os modelos que usou para obter uma visão adicional da física subjacente. "Uma equipe de alunos de doutorado altamente motivados está trabalhando comigo o tempo todo neste projeto, " ele disse.