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Oct 03, 2023

Transporte de calor em materiais energéticos: estudo esclarece mecanismos microscópicos fundamentais

9 de junho de 2023 Este artigo

9 de junho de 2023

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por Sociedade Max Planck

Os pesquisadores do Laboratório NOMAD recentemente lançaram luz sobre os mecanismos microscópicos fundamentais que podem ajudar na adaptação de materiais para isolamento térmico. Este desenvolvimento avança os esforços contínuos para aumentar a eficiência energética e sustentabilidade.

O papel do transporte de calor é crucial em várias aplicações científicas e industriais, como catálise, tecnologias de turbinas e conversores de calor termoelétricos que convertem o calor residual em eletricidade.

Particularmente no contexto de conservação de energia e desenvolvimento de tecnologias sustentáveis, materiais com alta capacidade de isolamento térmico são de extrema importância. Esses materiais permitem reter e utilizar o calor que, de outra forma, seria desperdiçado. Portanto, melhorar o design de materiais altamente isolantes é um objetivo de pesquisa fundamental para permitir aplicações com maior eficiência energética.

No entanto, projetar isoladores de calor fortes está longe de ser trivial, apesar do fato de que as leis físicas fundamentais subjacentes são conhecidas há quase um século. Em nível microscópico, o transporte de calor em semicondutores e isolantes era entendido em termos da oscilação coletiva dos átomos em torno de suas posições de equilíbrio na rede cristalina. Essas oscilações, chamadas de "fônons" no campo, envolvem um grande número de átomos em materiais sólidos e, portanto, cobrem grandes escalas de comprimento e tempo quase macroscópicas.

Em uma publicação recente na Physical Review B e na Physical Review Letters, pesquisadores do NOMAD Laboratory do Fritz Haber Institute avançaram as possibilidades computacionais para calcular condutividades térmicas sem dados experimentais com precisão sem precedentes. Eles demonstraram que para isolantes térmicos fortes a imagem de fônon acima mencionada não é apropriada.

Usando cálculos em grande escala em supercomputadores da Max Planck Society, da North-German Supercomputing Alliance e do Jülich Supercomputing Center, eles escanearam mais de 465 materiais cristalinos, para os quais a condutividade térmica ainda não havia sido medida. Além de encontrar 28 isolantes térmicos fortes, seis dos quais apresentam uma condutividade térmica ultrabaixa comparável à da madeira, este estudo lança luz sobre um mecanismo até então tipicamente supervisionado que permite diminuir sistematicamente a condutividade térmica.

"Observamos a formação temporária de estruturas defeituosas que influenciam massivamente o movimento atômico por um período de tempo extremamente curto", disse o Dr. Florian Knoop (agora Linköping University), primeiro autor de ambas as publicações.

"Tais efeitos são normalmente negligenciados em simulações de condutividade térmica, uma vez que esses defeitos são tão curtos e tão microscopicamente localizados em comparação com as escalas típicas de transporte de calor, que são considerados irrelevantes. No entanto, os cálculos realizados mostraram que eles acionam menores condutividades térmicas", acrescenta o Dr. Christian Carbogno, autor sênior dos estudos.

Esses insights podem oferecer novas oportunidades para ajustar e projetar isoladores térmicos em nível nanoescala por meio da engenharia de defeitos, contribuindo potencialmente para avanços na tecnologia de eficiência energética.

Mais Informações: Florian Knoop et al, Anarmonicity in Thermal Insulators: An Analysis from First Principles, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.236301