Explorando a desordem para coletar energia térmica:as potencialidades dos ímãs 2D para aplicações termoelétricas
Um gradiente de temperatura é aplicado a um filme fino de CrSBr, para medir sua resposta termoelétrica. Crédito:Alessandra Canetta Os sistemas termoelétricos são uma forma verde e sustentável de extrair energia de qualquer forma de calor que de outra forma seria desperdiçada. No centro deste processo de conversão de energia está o chamado efeito Seebeck, que descreve a tensão acumulada em um material exposto a uma diferença de temperatura.
No entanto, apesar de mais de 100 anos de intensa pesquisa, as eficiências termoelétricas ainda são inferiores às dos motores térmicos convencionais, tornando a termoelétrica adequada apenas para aplicações de nicho.
É por isso que um dos principais esforços dos cientistas hoje é encontrar novas estratégias para melhorar esta eficiência. Nosso último artigo "Impacto da entropia de spin nas propriedades termoelétricas de um ímã 2D", publicado em Nano Letters , demonstra que uma solução poderia estar em circuitos baseados em camadas magnéticas bidimensionais (2D).
Ajustando a entropia em ímãs
As propriedades termoelétricas são significativamente influenciadas pela entropia, que quantifica a desordem em um sistema. Portanto, todos os mecanismos que aumentem tais parâmetros podem melhorar a eficiência de conversão do dispositivo de captação de energia.
Em materiais magnéticos 2D, dois fatores adicionais podem alterar a entropia:a ordem magnética, gerando uma contribuição de "spin-entropia", e o número de camadas que um portador de carga pode acessar em um material em camadas 2D, o que produz uma "entropia de camada" adicional. "
Em nosso artigo, as propriedades de transporte elétrico e termoelétrico do antiferromagneto 2D CrSBr são medidas, ao mesmo tempo em que altera a ordem magnética do material, variando a temperatura da amostra ou aplicando um campo magnético externo. O estudo relata que a resposta termoelétrica aumenta com a temperatura à medida que os elétrons e os spins se mobilizam, atingindo um máximo local em torno da temperatura de transição de fase magnética Néel.
Além disso, é demonstrado que um campo magnético pode aumentar o fator de potência termoelétrica em até 600% em baixas temperaturas. Esses fenômenos são explicados pela interação das diferentes contribuições de entropia no material e destacam o forte impacto que a ordem magnética tem na resposta termoelétrica dos ímãs 2D.
Rumo a coletores de energia inovadores
Os resultados que relatamos demonstram como o uso de ímãs pode superar os limites dos dispositivos convencionais de coleta de energia, já que suas propriedades termoelétricas podem ser otimizadas alterando a fase magnética e, portanto, ajustando o impacto da spin-entropia.
Além disso, o uso de materiais 2D abre graus adicionais de liberdade, como a possibilidade de ajustar a temperatura de transição por meio de múltiplos fatores - ou seja, espessura do filme, composição, controle eletrostático - o que poderia permitir maximizar seu desempenho termoelétrico à temperatura ambiente. Todas essas descobertas representam o primeiro alicerce de uma nova maneira de projetar coletores de energia mais eficientes.
Esta história faz parte do Science X Dialog, onde pesquisadores podem relatar descobertas de seus artigos de pesquisa publicados. Visite esta página para obter informações sobre o Science X Dialog e como participar.
