Como você mantém o refrigerante mais ínfimo do mundo resfriado? Os cientistas da UCLA podem ter a resposta.

Uma equipe liderada pelo professor de física da UCLA, Chris Regan, conseguiu criar resfriadores termoelétricos com apenas 100 nanômetros de espessura - cerca de um décimo milionésimo de metro - e desenvolveu uma técnica inovadora para medir seu desempenho de resfriamento.

"Fizemos o menor refrigerador do mundo, "disse Regan, o autor principal de um artigo sobre a pesquisa publicado recentemente na revista ACS Nano .

Para ser claro, esses dispositivos minúsculos não são geladeiras no sentido cotidiano - não há portas ou gavetas mais fechadas. Mas em escalas maiores, a mesma tecnologia é usada para resfriar computadores e outros dispositivos eletrônicos, para regular a temperatura em redes de fibra óptica, e para reduzir o "ruído" da imagem em telescópios e câmeras digitais de última geração.

O que são dispositivos termoelétricos e como funcionam?

Feito pelo sanduíche de dois semicondutores diferentes entre as placas metalizadas, esses dispositivos funcionam de duas maneiras. Quando o calor é aplicado, um lado fica quente e o outro permanece frio; essa diferença de temperatura pode ser usada para gerar eletricidade. Os instrumentos científicos da espaçonave Voyager da NASA, por exemplo, têm sido alimentados por 40 anos com eletricidade de dispositivos termoelétricos envoltos em plutônio produtor de calor. No futuro, dispositivos semelhantes podem ser usados ​​para ajudar a capturar o calor do escapamento do carro para alimentar o ar condicionado.

Mas esse processo também pode ser executado ao contrário. Quando uma corrente elétrica é aplicada ao dispositivo, um lado fica quente e o outro frio, permitindo que sirva como refrigerador ou refrigerador. Essa tecnologia ampliada pode um dia substituir o sistema de compressão de vapor em sua geladeira e manter seu refrigerante da vida real gelado.

O que a equipe da UCLA fez

Para criar seus refrigeradores termoelétricos, Equipe de Regan, que incluiu seis alunos de graduação da UCLA, usou dois materiais semicondutores padrão:telureto de bismuto e telureto de antimônio-bismuto. Eles fixaram fita adesiva normal em pedaços de materiais a granel convencionais, descascado e, em seguida, colhido fino, flocos de cisto único do material ainda grudados na fita. A partir desses flocos, eles fizeram dispositivos funcionais com apenas 100 nanômetros de espessura e um volume ativo total de cerca de 1 micrômetro cúbico, invisível a olho nu.

Para colocar este pequeno volume em perspectiva:suas unhas crescem milhares de micrômetros cúbicos a cada segundo. Se suas cutículas estivessem fabricando esses minúsculos coolers em vez de unhas, cada dedo estaria produzindo mais de 5, 000 dispositivos por segundo.

"Batemos o recorde do menor refrigerador termoelétrico do mundo por um fator de mais de dez mil, "disse Xin Yi Ling, um dos autores do artigo e ex-aluno de graduação do grupo de pesquisa de Regan.

Embora os dispositivos termoelétricos tenham sido usados ​​em aplicações de nicho devido a vantagens como seu pequeno tamanho, sua falta de peças móveis e sua confiabilidade, sua baixa eficiência em comparação com os sistemas convencionais baseados em compressão impediu a adoção generalizada da tecnologia. Simplificando, em escalas maiores, dispositivos termoelétricos não geram eletricidade suficiente, ou fique frio o suficiente - ainda.

Mas ao se concentrar em nanoestruturas - dispositivos com pelo menos uma dimensão na faixa de 1 a 100 nanômetros - Regan e sua equipe esperam descobrir novas maneiras de sintetizar materiais a granel de melhor desempenho. As propriedades procuradas para materiais em resfriadores termoelétricos de alto desempenho são boa condutividade elétrica e baixa condutividade térmica, mas essas propriedades são quase sempre mutuamente exclusivas. Contudo, uma combinação vencedora pode ser encontrada em estruturas quase bidimensionais como as que a equipe de Regan criou.

Uma característica distintiva adicional da "geladeira" em nanoescala da equipe é que ela pode responder quase que instantaneamente.

"Seu tamanho pequeno o torna milhões de vezes mais rápido do que uma geladeira com um volume de um milímetro cúbico, e isso já seria milhões de vezes mais rápido do que a geladeira que você tem em sua cozinha, "Regan disse.

"Assim que entendermos como os resfriadores termoelétricos funcionam no nível atômico e quase atômico, " ele disse, "podemos escalar até a macroescala, onde está a grande recompensa. "

Medir o quão frios os dispositivos ficam

Medir a temperatura em dispositivos tão pequenos é um desafio. Termômetros ópticos têm resolução pobre em escalas tão pequenas, enquanto as técnicas de sondagem de varredura requerem técnicas especializadas, equipamento caro. Ambas as abordagens requerem calibrações meticulosas.

Em 2015, O grupo de pesquisa de Regan desenvolveu uma técnica de termometria chamada PEET, ou termometria de expansão de energia de plasmon, que usa um microscópio eletrônico de transmissão para determinar temperaturas em nanoescala medindo as mudanças na densidade.

Para medir a temperatura de seus refrigeradores termoelétricos, os pesquisadores depositaram nanopartículas feitas do elemento índio em cada uma delas e selecionaram uma partícula específica para ser seu termômetro. Conforme a equipe variava a quantidade de energia aplicada aos resfriadores, os dispositivos aquecidos e resfriados, e o índio correspondentemente expandiu e contraiu. Ao medir a densidade do índio, os pesquisadores foram capazes de determinar a temperatura precisa da nanopartícula e, portanto, do resfriador.

"O PEET tem resolução espacial para mapear gradientes térmicos na escala de poucos nanômetros - um regime quase inexplorado para materiais termoelétricos nanoestruturados, "disse Regan, que é membro do California NanoSystems Institute da UCLA.

Para complementar as medições PEET, os pesquisadores inventaram uma técnica chamada termometria de condensação. A ideia básica é simples:quando o ar normal esfria até uma determinada temperatura - o ponto de orvalho - o vapor de água no ar se condensa em gotículas líquidas, ou orvalho ou chuva. A equipe explorou esse efeito energizando seu dispositivo enquanto o observava com um microscópio óptico. Quando o dispositivo atingiu o ponto de orvalho, minúsculas gotas de orvalho se formaram instantaneamente em sua superfície.

Regan elogiou o trabalho de seus alunos pesquisadores em ajudar a desenvolver e medir o desempenho dos dispositivos em nanoescala.

"Conectando ciência de materiais avançada e microscopia eletrônica à física em áreas cotidianas, como refrigeração e formação de orvalho, ajuda os alunos a resolver os problemas rapidamente, "Regan disse." Observá-los aprender e inovar me dá muita esperança para o futuro da termelétrica. "