e se você pudesse executar o seu ar condicionado não com eletricidade convencional, mas com o calor do sol durante um dia quente de Verão? Com avanços na tecnologia termoelétrica, esta solução sustentável pode um dia tornar-se uma realidade.dispositivos termoelétricos são feitos a partir de materiais que podem converter uma diferença de temperatura em eletricidade, sem exigir quaisquer peças móveis – uma qualidade que faz da termeletricidade uma fonte potencialmente atraente de eletricidade. O fenômeno é reversível: se a eletricidade é aplicada a um dispositivo termoelétrico, pode produzir uma diferença de temperatura. Hoje, dispositivos termoelétricos são usados para aplicações de energia relativamente baixa, tais como a alimentação de pequenos sensores ao longo de oleodutos, backup de baterias em sondas espaciais, e minifridges de resfriamento.
mas os cientistas estão esperando para projetar dispositivos termoelétricos mais poderosos que irão colher o calor produzido como um subproduto de processos industriais e motores de combustão — e transformar esse calor desperdiçado em eletricidade. No entanto, a eficiência dos dispositivos termoelétricos, ou a quantidade de energia que eles são capazes de produzir, é atualmente limitada.
agora pesquisadores do MIT descobriram uma maneira de aumentar essa eficiência três vezes, usando materiais “topológicos”, que têm propriedades eletrônicas únicas. Embora trabalhos anteriores tenham sugerido que materiais topológicos podem servir como sistemas termoelétricos eficientes, tem havido pouca compreensão sobre como elétrons em tais materiais topológicos viajariam em resposta a diferenças de temperatura, a fim de produzir um efeito termoelétrico.
em um artigo publicado esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences, os pesquisadores do MIT identificam a propriedade subjacente que torna certos materiais topológicos um material termoelétrico potencialmente mais eficiente, em comparação com dispositivos existentes.”nós descobrimos que podemos empurrar os limites deste material nanoestruturado de uma forma que faz dos materiais topológicos um bom material termoelétrico, mais do que semicondutores convencionais como o silício”, diz Te-Huan Liu, um pós-doutorado no departamento de engenharia mecânica do MIT. “No final, esta poderia ser uma forma de energia limpa para nos ajudar a usar uma fonte de calor para gerar eletricidade, o que diminuirá nossa liberação de dióxido de carbono.”
Liu é o primeiro autor da PNAS de papel, que inclui alunos de graduação Jiawei Zhou Zhiwei Ding, e Qichen Música; Mingda Li, professor assistente no Departamento de Ciência Nuclear e Engenharia; ex-estudante de pós-graduação Bolin Liao, agora um professor assistente na Universidade da Califórnia em Santa Barbara; Liang Fu, o Biedenharn Professor Associado de Física; e Gang Chen, O Professor Soderberg e chefe do Departamento de Engenharia Mecânica.
um caminho percorrido livremente
Quando um material termoelétrico é exposto a um gradiente de temperatura — por exemplo, uma extremidade é aquecida, enquanto a outra é resfriada — elétrons nesse material começam a fluir da extremidade quente para a extremidade fria, gerando uma corrente elétrica. Quanto maior a diferença de temperatura, mais corrente elétrica é produzida, e mais energia é gerada. A quantidade de energia que pode ser gerada depende das propriedades particulares de transporte dos elétrons em um determinado material.cientistas têm observado que alguns materiais topológicos podem ser feitos em dispositivos termelétricos eficientes através de nanoestruturação, uma técnica que os cientistas usam para sintetizar um material, modelando suas características na escala de nanômetros. Os cientistas têm pensado que a vantagem termelétrica dos materiais topológicos vem de uma condutividade térmica reduzida em suas nanoestruturas. Mas não é claro como esse aumento de eficiência se conecta com as propriedades topológicas inerentes ao material.Liu e seus colegas estudaram o desempenho termoelétrico do telureto de estanho, um material topológico que é conhecido por ser um bom material termoelétrico. Os elétrons em telureto de estanho também exibem propriedades peculiares que imitam uma classe de materiais topológicos conhecidos como materiais de Dirac.
A equipe pretendia entender o efeito da nanoestruturação no desempenho termoelétrico do telureto de estanho, simulando a forma como os elétrons viajam através do material. Para caracterizar o transporte de elétrons, os cientistas muitas vezes usam uma medida chamada de “caminho livre médio”, ou a distância média que um elétron com uma dada energia viajaria livremente dentro de um material antes de ser espalhado por vários objetos ou defeitos nesse material.materiais nanoestruturados assemelham-se a uma manta de retalhos de pequenos cristais, cada um com contornos, conhecidos como limites de grãos, que separam um cristal de outro. Quando os electrões encontram estas fronteiras, tendem a dispersar-se de várias formas. Elétrons com caminhos livres médios longos se espalharão fortemente, como balas ricocheteando de uma parede, enquanto elétrons com caminhos livres médios mais curtos são muito menos afetados.
em suas simulações, os pesquisadores descobriram que as características elétricas do telureto de estanho têm um impacto significativo em seus caminhos livres médios. Eles traçaram a gama de energia de telureto de estanho contra os caminhos livres médios associados, e descobriram que o grafo resultante parecia muito diferente dos semicondutores convencionais. Especificamente, para telureto de estanho e possivelmente outros materiais topológicos, os resultados sugerem que elétrons com maior energia têm um caminho livre médio mais curto, enquanto elétrons de menor energia geralmente possuem um caminho livre médio mais longo.
a equipe então olhou para como essas propriedades elétricas afetam o desempenho termoelétrico do telureto de estanho, essencialmente somando as contribuições termoelétricas de elétrons com diferentes energias e caminhos livres médios. Acontece que a capacidade do material para conduzir eletricidade, ou gerar um fluxo de elétrons, sob um gradiente de temperatura, é largamente dependente da energia eletrônica.especificamente, eles descobriram que elétrons de baixa energia tendem a ter um impacto negativo na geração de uma diferença de tensão, e portanto corrente elétrica. Estes elétrons de baixa energia também têm caminhos livres mais longos, o que significa que eles podem ser dispersos por fronteiras de grãos mais intensivamente do que elétrons de alta energia.
dimensionamento para baixo
indo mais um passo em suas simulações, a equipe jogou com o tamanho dos grãos individuais de telureto de estanho para ver se isso teve algum efeito no fluxo de elétrons sob um gradiente de temperatura. Eles descobriram que quando eles diminuíram o diâmetro de um grão médio para cerca de 10 nanômetros, aproximando seus limites, eles observaram uma maior contribuição de elétrons de alta energia.isto é, com menores tamanhos de grãos, elétrons de maior energia contribuem muito mais para a condução elétrica do material do que elétrons de menor energia, uma vez que eles têm caminhos livres médios mais curtos e são menos propensos a se dispersar contra limites de grãos. Isto resulta em uma diferença de voltagem maior que pode ser gerada.além disso, os pesquisadores descobriram que a redução do tamanho médio do telureto de estanho para cerca de 10 nanômetros produziu três vezes a quantidade de eletricidade que o material teria produzido com grãos maiores.Liu diz que enquanto os resultados são baseados em simulações, os pesquisadores podem alcançar desempenho semelhante sintetizando telureto de estanho e outros materiais topológicos, e ajustando seu tamanho de grão usando uma técnica de nanoestruturação. Outros pesquisadores têm sugerido que encolhendo o tamanho de grão de um material pode aumentar o seu desempenho termoelétrico, mas Liu diz que eles assumiram que o tamanho ideal seria muito maior do que 10 nanômetros.
“em nossas simulações, descobrimos que podemos encolher o tamanho de grão de um material topológico muito mais do que o anteriormente pensado, e com base neste conceito, podemos aumentar sua eficiência”, diz Liu.telureto de estanho é apenas um exemplo de muitos materiais topológicos que ainda não foram explorados. Se os pesquisadores podem determinar o tamanho ideal do grão para cada um destes materiais, Liu diz que os materiais topológicos podem em breve ser uma alternativa viável, mais eficiente para a produção de energia limpa.
“eu acho que os materiais topológicos são muito bons para materiais termoelétricos, e nossos resultados mostram que este é um material muito promissor para aplicações futuras”, diz Liu.esta pesquisa foi apoiada em parte pelo Solid-State Solar Thermal Energy Conversion Center, um centro de pesquisa de fronteira de energia do Departamento de energia dos Estados Unidos; e pela Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).