Calor move-se como onda e esfria objeto instantaneamente

Redação do Site Inovação Tecnológica -  29/03/2019

O fenômeno inusitado, antes visto apenas em ligas especiais próximo do zero absoluto, foi observado no grafite, o material dos lápís. [Imagem: Christine Daniloff]

Calor move-se como onda

Imagine uma lanterna de calor: Você a "acende" e, em vez de lançar um facho de luz, ela lança um facho de calor.

Ou uma panela quente que, em vez de esfriar lentamente trocando calor com o ambiente por condução, emita uma onda de calor de uma vez só e fique fria na hora.

Nós sabemos que o calor não se comporta dessa maneira em escala humana, mas os cientistas pesquisam há muito tempo a transferência do calor por radiação, permitindo que o calor seja controlado como controlamos a luz - de fato, já sabemos que o magnetismo pode controlar tanto o calor como o som.

Agora, Sam Huberman e colegas do MIT, nos EUA, conseguiram observar esse fenômeno da transferência do calor como onda em um material comum, o grafite, o mesmo material usado para fazer lápis e lubrificantes.

A uma temperatura de -153º C, Huberman observou sinais claros de que o calor pode viajar através do grafite na forma de uma onda. Pontos originalmente quentes ficam instantaneamente frios, enquanto o calor se move pelo material próximo da velocidade do som.

O comportamento do calor fica tão parecido com o modo ondulatório pelo qual o som viaja através do ar que os pesquisadores apelidaram esse modo exótico de transporte de calor de "segundo som".

Segundo som

Normalmente, o calor viaja através dos materiais de maneira difusa, transportado por "fônons", ou pacotes de energia vibracional acústica. A estrutura microscópica de qualquer sólido cristalino é uma rede de átomos que vibra à medida que o calor se move através do material. Essas vibrações da rede atômica, os fônons, acabam levando o calor embora, difundindo-o de sua fonte, embora essa fonte continue a ser a região mais quente, muito parecida com uma chaleira esfriando gradualmente em um fogão.

A chaleira continua a ser o ponto mais quente porque, como o calor é levado pelas moléculas no ar, essas moléculas são constantemente espalhadas em todas as direções, incluindo de volta para a chaleira. Esse retroespalhamento também ocorre com os fônons, mantendo a região aquecida original de um sólido o ponto mais quente, mesmo enquanto o calor se difunde.

No entanto, em materiais que exibem o segundo som, esse retroespalhamento é largamente suprimido. Em vez disso, os fônons conservam momento e se dispersam em massa, e o calor armazenado nos fônons é transportado como uma onda. Assim, o ponto que foi originalmente aquecido é quase instantaneamente resfriado, próximo à velocidade do som.

Tirar calor dos processadores

A maior novidade do experimento é que o grafite é um material comum, muito diferente das ligas exóticas em que o fenômeno foi observado anteriormente. Além disso, esta é a mais alta temperatura em que o segundo som já foi observado. Experimentos anteriores flagraram o fenômeno a -253º C, que é frio demais para qualquer aplicação.

A descoberta animou os pesquisadores do grafeno - um material derivado do grafite - ao indicar que ele pode ser usado para remover o calor de forma eficiente do interior dos circuitos integrados e demais dispositivos microeletrônicos.

"Há boas razões para se acreditar que o segundo som pode ser mais pronunciado no grafeno, mesmo a temperatura ambiente. Se acontecer que o grafeno possa eficientemente remover o calor como ondas, isso certamente seria maravilhoso," disse o professor Keith Nelson, coordenador da equipe.

De fato, em 2015, uma equipe suíça demonstrou que o calor propaga-se em ondas no grafeno e em outros materiais bidimensionais, embora, naquele caso, o experimento tenha coberto apenas curtas distâncias.

Bibliografia:

Observation of second sound in graphite at temperatures above 100 K
Sam Huberman, Ryan A. Duncan, Ke Chen, Bai Song, Vazrik Chiloyan, Zhiwei Ding, Alexei A. Maznev, G. Chen, K. A. Nelson
Science
Vol.: eaav3548
DOI: 10.1126/science.aav3548