A utilização de geladeiras de estado sólido para resfriar eletrodomésticos e aparelhos eletrônicos é uma possível aplicação tecnológica para estudo teórico realizado na Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) no Estado de São Paulo, Brasil.

Embora esta aplicação não seja considerada no estudo, que foi baseado em simulações de computador, tais aplicações estão no horizonte e podem ser uma alternativa eficiente e ecologicamente correta para refrigeradores de compressão de vapor, que atualmente dominam o mercado e contribuem para a destruição da camada de ozônio e o aquecimento global.

O estudo, liderado por Alexandre Fonseca com participação de seu ex-aluno Tiago Cantuário, fazia parte do projeto "Nanoestruturas de carbono:modelagem e simulações, "com apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo - FAPESP. Os resultados são publicados em artigo na revista Annalen der Physik .

“O resfriamento em estado sólido é um campo jovem de pesquisa com resultados promissores. O método que investigamos é baseado no chamado efeito elastocalórico (ECE), que faz uso das variações de temperatura em um sistema em resposta ao estresse mecânico. Realizamos simulações de computador deste efeito em nanotubos de carbono, "Disse Fonseca.

No mundo macroscópico, um efeito análogo é observado quando um elástico aquece ao ser esticado rapidamente e esfria novamente ao ser liberado. O efeito ocorre se a deformação é aplicada ao material de modo que não haja transferência de calor para dentro ou para fora do sistema, ou seja, quando o processo é adiabático.

“Começamos nossa pesquisa com base em um artigo intitulado 'Efeito elastocalórico em nanotubos de carbono e grafeno', publicado em 2016 por Sergey Lisenkov e colaboradores. Ele descreveu um estudo de simulação de computador mostrando que quando uma pequena deformação foi aplicada a nanotubos de carbono, correspondendo a até 3% de seu comprimento inicial, eles responderam com uma variação de temperatura de até 30 ° C, "Disse Fonseca.

"Em contraste com a pesquisa de Lisenkov, que simulava apenas deformação simples e força compressiva aplicada aos nanotubos, reproduzimos o processo computacionalmente para um ciclo termodinâmico completo. Em nossa simulação, consideramos duas fases - tensão e liberação de nanotubos - e duas trocas de calor com dois reservatórios externos. Estimamos o calor que seria extraído pelo nanotubo se ele estivesse em contato ideal com um determinado meio. Obtivemos um bom resultado para o coeficiente de desempenho em comparação com os de outros materiais testados experimentalmente. "

O coeficiente de desempenho é definido como o calor extraído por um sistema de uma determinada região dividido pela energia despendida para fazê-lo. No caso de uma geladeira doméstica, por exemplo, mostra a quantidade de calor extraída pelo aparelho do ambiente interno em proporção à eletricidade consumida. Os melhores refrigeradores domésticos têm coeficientes de desempenho da ordem de 8, o que significa que transferem oito vezes mais energia térmica de dentro para fora do que a quantidade de eletricidade extraída da rede de abastecimento para realizar a troca.

"Simulando o processo para dois nanotubos diferentes, obtivemos coeficientes de desempenho de 4,1 e 6,5. Esses são números relativamente bons em comparação com aqueles para outros fenômenos de troca de calor, "Fonseca explicou.

Outra vantagem diz respeito à estrutura atômica e molecular. "No caso de certos materiais, a aplicação de resistência à tração faz com que a amostra mude de fase, modificando sua estrutura cristalina. No caso dos nanotubos, o efeito térmico é devido exclusivamente à expansão e relaxamento da estrutura, que não é modificado. Isso é uma vantagem porque as mudanças de fase fazem com que o material perca gradualmente sua capacidade de realizar a função de interesse. No caso dos nanotubos, Contudo, o processo não produz nenhuma transformação estrutural capaz de causar defeitos. Os átomos são separados durante a expansão e retornam às suas posições originais com relaxamento, " ele disse.

Nanoescala

De acordo com Fonseca, testes de ruptura mostraram que os nanotubos de carbono são capazes de esticar até 20%. Essa resistência à deformação combinada com alto desempenho em efeitos elastocalóricos torna os nanotubos de carbono materiais interessantes para o desenvolvimento de eletrônicos em nanoescala.

"O principal problema da eletrônica é o resfriamento. Nossa motivação era imaginar um dispositivo que pudesse usar um ciclo simples para extrair calor de um eletrodoméstico. Os nanotubos de carbono se mostraram altamente promissores, "disse ele." Eles também têm outra virtude, que é que eles são pequenos o suficiente para serem incorporados em uma matriz de polímero, uma propriedade desejável em um momento em que os fabricantes estão investindo em pesquisa e desenvolvimento para obter dispositivos eletrônicos flexíveis, como smartphones dobráveis. "Tudo isso é parte de um quadro maior em que refrigeradores de compressão de vapor são substituídos por refrigeradores de estado sólido no contexto de alterações climáticas globais.