A busca por materiais termoelétricos mais eficientes e económicos é crucial para o desenvolvimento de novas fontes de energia. Recentemente, cientistas alcançaram um avanço promissor nesta área, criando um material compósito com propriedades otimizadas.
O desafio dos materiais com boa condução térmica e elétrica
Nos materiais sólidos, o calor propaga-se através de portadores de carga móveis (como eletrões) e também pelas vibrações dos átomos na rede cristalina. Em materiais termoelétricos, o objetivo principal é converter calor em eletricidade de forma eficiente.
Para tal, é desejável suprimir o transporte de calor que ocorre através das vibrações da rede, conhecidas como fonões, pois estas não contribuem para a conversão de energia útil.
Tentamos principalmente suprimir o transporte de calor através das vibrações da rede cristalina.
Afirma Fabian Garmroudi, primeiro autor do estudo e doutorado pela TU Wien (Universidade Técnica de Viena). O desafio reside em conseguir isto sem prejudicar a condutividade elétrica, essencial para a eficiência termoelétrica.
Aumentar a eficiência destes materiais implica, simultaneamente, reduzir a condução de calor pelas vibrações da rede e aumentar a mobilidade dos eletrões. Este equilíbrio tem sido um obstáculo significativo na investigação até agora.
No entanto, um estudo publicado na prestigiada revista Nature Communications demonstra uma abordagem inovadora. Ao incorporar um isolador topológico arquetípico, química e estruturalmente distinto (Bi1-xSbx), nas fronteiras dos grãos de uma liga específica, os investigadores conseguiram dissociar o transporte de carga e de calor.
Esta técnica resultou numa redução da condutividade térmica da rede (κL) e, surpreendentemente, num aumento simultâneo da mobilidade ponderada dos eletrões (μW), superando o compromisso habitual.
Fabian Garmroudi, primeiro autor do estudo
Fabrico e colaboração internacional
Especificamente, a equipa utilizou um pó de uma liga composta por ferro, vanádio, tântalo e alumínio (Fe2V0.95Ta0.1Al0.95). Este foi misturado com um pó de bismuto e antimónio (Bi0.9Sb0.1). Os pós combinados foram então prensados a alta pressão e temperatura para formar um material compacto.
Devido às suas diferentes propriedades químicas e mecânicas, os dois componentes não se misturam a nível atómico. Em vez disso, o material à base de bismuto e antimónio (BiSb) deposita-se preferencialmente nas interfaces micrométricas entre os cristais da liga FeVTaAl, conforme detalhado num comunicado de imprensa.
Fabian Garmroudi recorda a importância de uma estadia de investigação no Japão para este desenvolvimento:
Apoiado pelo Lions Award, pude desenvolver novos materiais híbridos no National Institute for Materials Science (NIMS), no Japão, que exibem propriedades termoelétricas excecionais.
Esta investigação em Tsukuba foi realizada como parte do seu trabalho de doutoramento na TU Wien.
As propriedades melhoradas e o baixo custo potencial tornam estes novos materiais compósitos particularmente atraentes. Uma das aplicações promissoras é o fornecimento autónomo de energia a microssensores e outros componentes eletrónicos de dimensões reduzidas, aproveitando diferenciais de temperatura residuais.
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