Novo material quebra recorde mundial na conversão de calor em eletricidade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/11/2019

Esquema do experimento que testou o novo material, a película ilustrada em marrom.
[Imagem: Hinterleitner et al. - 10.1038/s41586-019-1751-9]

Efeito Seebeck

Os materiais termoelétricos convertem o calor em energia elétrica devido ao chamado efeito Seebeck: Se houver uma diferença de temperatura entre as duas extremidades desse material, gera-se uma tensão elétrica e uma corrente começa a fluir dele.

A quantidade de energia que pode ser gerada é medida pelo chamado valor ZT. Os melhores materiais termoelétricos conhecidos até agora apresentavam valores de ZT em torno de 2,5 a 2,8.

Uma equipe da Áustria descobriu agora um material completamente novo com um valor de ZT entre 5 e 6.

Ele é tão eficaz que pode ser usado para fornecer energia para sensores ou até para pequenos processadores de computador. Em vez de conectar pequenos aparelhos elétricos a cabos de energia, os dispositivos podem gerar sua própria eletricidade a partir de diferenças de temperatura presentes no próprio aparelho ou no ambiente.

Eletricidade e temperatura

Além de apresentar um forte efeito Seebeck, um bom material termoelétrico deve conduzir eletricidade o melhor possível e transportar o calor o pior possível, duas exigências que são difíceis de conciliar.

Bernhard Hinterleitner e seus colegas da Universidade Técnica de Viena encontraram a combinação perfeita em uma mistura de ferro, vanádio, tungstênio e alumínio.

"Os átomos neste material são geralmente organizados em um padrão estritamente regular na chamada estrutura cúbica centrada na face," conta o professor Ernst Bauer. "A distância entre dois átomos de ferro é sempre a mesma, e o mesmo vale para os outros tipos de átomos. O cristal inteiro é, portanto, completamente regular".

Contudo, quando uma camada fina do material é aplicada sobre uma base de silício, algo surpreendente acontece: a estrutura muda radicalmente. Embora os átomos ainda formem um padrão cúbico, eles passam a se organizar em uma estrutura centrada no espaço, e a distribuição dos diferentes tipos de átomos se torna completamente aleatória.

Essa mistura de regularidade e irregularidade do arranjo atômico também altera a estrutura eletrônica, que determina como os elétrons se movem no sólido - eles passam a se movimentar por meio dos chamados férmions de Weyl, o que resulta em uma resistência elétrica muito baixa. Já as vibrações da rede cristalina, que transportam calor de locais de alta temperatura para locais de baixa temperatura, ficam inibidas pelas irregularidades na estrutura do cristal, fazendo a condutividade térmica diminuir.

"É claro que uma camada tão fina não pode gerar uma quantidade particularmente grande de energia, mas ela tem a vantagem de ser extremamente compacta e adaptável," disse Bauer. "Queremos usá-la para fornecer energia para sensores e pequenas aplicações eletrônicas".

Bibliografia:

Artigo: Thermoelectric performance of a metastable thin-film Heusler alloy
Autores: Bernhard Hinterleitner, I. Knapp, M. Poneder, Yongpeng Shi, H. Müller, G. Eguchi, C. Eisenmenger-Sittner, M. Stöger-Pollach, Y. Kakefuda, N. Kawamoto, Q. Guo, T. Baba, T. Mori, Sami Ullah, Xing-Qiu Chen, E. Bauer
Revista: Nature
DOI: 10.1038/s41586-019-1751-9

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