Cientistas descobriram o segredo por trás de uma propriedade de materiais sólidos conhecida como ferroelétrica, mostrando que quasipartículas se movendo em padrões ondulados entre átomos vibrantes carregam calor suficiente para transformar o material em um interruptor térmico quando um campo elétrico é aplicado externamente.
Uma descoberta importante do estudo é que esse controle da condutividade térmica é atribuível à estrutura do material, e não a colisões aleatórias entre os átomos. Especificamente, os pesquisadores descrevem quasipartículas chamadas ferrons, cuja polarização muda à medida que eles “se movem” entre os átomos vibrantes – e é essa oscilação e polarização ordenadas, receptivas ao campo elétrico aplicado externamente, que determina a capacidade do material de transferir o calor em um ponto diferente. avaliar.
“Descobrimos que essa mudança na posição desses átomos e a mudança na natureza das vibrações devem transportar calor e, portanto, o campo externo que altera essa vibração deve afetar a condutividade térmica”, disse o autor sênior Joseph Heremans, professor de engenharia mecânica e aeroespacial, ciência e engenharia de materiais e física na The Ohio State University.
“As pessoas tendem a pensar que as vibrações dos átomos são um fato e não respondem a um campo elétrico ou magnético. E estamos dizendo que você posso afetá-los com um campo elétrico.”
Com o uso de um simples estímulo elétrico externo, a condutividade térmica neste tipo de material pode ser alterada à temperatura ambiente, em vez das temperaturas extremamente baixas necessárias para controlar a maioria dos materiais candidatos a interruptores de calor de estado sólido, aumentando as possibilidades de real- aplicações mundiais da tecnologia, dizem os pesquisadores.
O estudo foi publicado hoje (1º de fevereiro de 2023) na revista Avanços da ciência.
O material utilizado no estudo é uma cerâmica de titanato de zircônio de chumbo comum pertencente a uma classe de materiais chamados piezelétricos, que mudam de forma quando um campo elétrico é aplicado a eles ou produzem uma carga elétrica sob estresse mecânico.
Os ferroelétricos, um subconjunto dos piezoelétricos, são materiais nos quais as cargas elétricas nos átomos podem formar espontaneamente dipolos elétricos que se alinham na mesma direção, formando o que é conhecido como polarização. Esses dipolos podem ser trocados por um campo elétrico externo.
Até agora, os cientistas não haviam anotado formalmente como essa polarização se moverá quando o calor for aplicado. Neste novo artigo, esse movimento é descrito pela introdução da quasipartícula – chamada de ferron – que carrega ondas de polarização e calor ao mesmo tempo. O ferron é sensível a um campo elétrico externo, e isso significa que a aplicação de um campo elétrico externo pode transformar o material em um interruptor de calor.
“A quasipartícula sempre esteve lá. Ela simplesmente não foi identificada e medida”, disse o primeiro autor Brandi Wooten, estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais no estado de Ohio.
Wooten comparou o comportamento dos ferrons a uma onda de estádio, com cada torcedor representando uma célula de átomos reunidos em um cristal.
“Você tem todos esses átomos, e eles têm esse dipolo especial – um átomo com uma carga elétrica que se move para cima e para baixo cria um dipolo. Você pode pensar nas mãos das pessoas subindo fazendo a onda como a força do dipolo – se suas mãos estão para cima, é muito forte. Se estiverem um pouco para baixo, é mais fraco, e se estiverem totalmente para baixo, é negativo”, disse ela. “Essa é a força do dipolo. Descobrimos que essas ondas especiais carregam calor e polarização e as rotulamos de ferrons.”
Essa propriedade de transferência de calor é induzida pelo campo elétrico por meio de um fenômeno conhecido como tensão piezoelétrica: a rede se contrai ou se estica quando a tensão é aplicada, com átomos e forças entre eles se movendo para frente e para trás, alterando as propriedades mecânicas do material. e, como resultado, alterando sua condutividade térmica, disse Heremans, também um estudioso eminente de nanotecnologia de Ohio.
“O ferro também é sensível à tensão no sólido. Como o ferro carrega calor, isso torna a quantidade de calor transportada dependente do campo elétrico”, disse ele. “Então, escrevemos uma nova teoria que relaciona um campo elétrico externo, a tensão que ele induz em um ferroelétrico e, finalmente, como essa tensão afeta a condutividade térmica”.
A teoria é preditiva, então os pesquisadores agora podem usá-la para encontrar materiais onde o efeito é muito maior, levando a materiais onde é grande o suficiente para ser usado em interruptores de calor em aplicações cotidianas, como coleta de energia solar.
A aplicação de um campo elétrico ao material produziu uma diferença de 2% entre a condutividade máxima e mínima – como seria o caso previsto pela nova teoria. Uma série de experimentos quantificando as vibrações atômicas através da medição da velocidade das ondas sonoras do material e das propriedades de equilíbrio e transporte validaram “que tudo isso depende apenas da estrutura do material, não necessariamente do que está espalhando as vibrações”, disse Wooten.
Os pesquisadores agora estão estudando outros materiais que podem aumentar essa mudança na condutividade térmica em até 15%, como prevê a nova teoria.
“Qualquer aplicação depende de encontrarmos um material onde o efeito seja muito maior”, disse Heremans. “Estamos procurando materiais que tenham os parâmetros certos.”
Este trabalho foi apoiado pela National Science Foundation, o Departamento de Defesa dos EUA, a Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência e a Agência Japonesa de Ciência e Tecnologia.
Co-autores adicionais incluem Ryo Iguchi e Ken-ichi Uchida do Instituto Nacional de Ciência de Materiais no Japão; Ping Tang e Gerrit Bauer da Universidade Tohoku; e Joon Sang Kang, do estado de Ohio.
Com informações de Science Daily.
