Tecnologia Científica

Os pesquisadores descobrem um novo material inorgânico com a menor condutividade térmica já relatada
Essa descoberta abre caminho para o desenvolvimento de novos materiais termelétricos que serão fundamentais para uma sociedade sustentável.
Por Universidade de Liverpool - 15/07/2021


Usando a química certa, é possível combinar dois arranjos atômicos diferentes (placas amarelas e azuis) que fornecem mecanismos para desacelerar o movimento do calor através de um sólido. Esta estratégia fornece a menor condutividade térmica relatada em um material inorgânico. Crédito: Universidade de Liverpool

Uma equipe de pesquisa colaborativa, liderada pela Universidade de Liverpool, descobriu um novo material inorgânico com a menor condutividade térmica já relatada. Essa descoberta abre caminho para o desenvolvimento de novos materiais termelétricos que serão fundamentais para uma sociedade sustentável.

Reportada na revista Science , essa descoberta representa um avanço no controle do fluxo de calor em escala atômica, alcançado pelo design de materiais. Ele oferece novos insights fundamentais sobre o gerenciamento de energia. O novo entendimento irá acelerar o desenvolvimento de novos materiais para a conversão de calor residual em energia e para o uso eficiente de combustíveis.

A equipe de pesquisa, liderada pelo professor Matt Rosseinsky do Departamento de Química e Inovação de Materiais da Universidade e pelo Dr. Jon Alaria do Departamento de Física e Instituto Stephenson de Energia Renovável da Universidade, projetou e sintetizou o novo material de forma que combinasse dois arranjos diferentes de átomos que, cada um deles, reduzem a velocidade com que o calor se move através da estrutura de um sólido.

Eles identificaram os mecanismos responsáveis ​​pelo transporte de calor reduzido em cada um desses dois arranjos medindo e modelando as condutividades térmicas de duas estruturas diferentes, cada uma contendo um dos arranjos necessários.

Combinar esses mecanismos em um único material é difícil, porque os pesquisadores precisam controlar exatamente como os átomos estão dispostos dentro dele. Intuitivamente, os cientistas esperariam obter uma média das propriedades físicas dos dois componentes. Ao escolher interfaces químicas favoráveis ​​entre cada um desses diferentes arranjos atômicos, a equipe sintetizou experimentalmente um material que combina os dois (representado como placas amarelas e azuis na imagem).

Este novo material, com dois arranjos combinados, tem uma condutividade térmica muito mais baixa do que qualquer um dos materiais originais com apenas um arranjo . Este resultado inesperado mostra o efeito sinérgico do controle químico das localizações atômicas na estrutura, e é a razão pela qual as propriedades de toda a estrutura são superiores às das duas partes individuais.

Se tomarmos a condutividade térmica do aço como 1, então uma barra de titânio é 0,1, a água e um tijolo de construção é 0,01, o novo material é 0,001 e o ar é 0,0005.

Aproximadamente 70 por cento de toda a energia gerada no mundo é desperdiçada como calor. Materiais de baixa condutividade térmica são essenciais para reduzir e aproveitar esses resíduos. O desenvolvimento de novos materiais termoelétricos mais eficientes, que podem converter calor em eletricidade, é considerado uma fonte importante de energia limpa.

O professor Matt Rosseinsky disse: "O material que descobrimos tem a condutividade térmica mais baixa de qualquer sólido inorgânico e é um condutor de calor quase tão pobre quanto o próprio ar."

"As implicações desta descoberta são significativas, tanto para a compreensão científica fundamental quanto para aplicações práticas em dispositivos termoelétricos que coletam calor residual e como revestimentos de barreira térmica para turbinas a gás mais eficientes."

Dr. Jon Alaria disse: "A descoberta empolgante deste estudo é que é possível aumentar a propriedade de um material usando conceitos físicos complementares e interface atomística apropriada. Além do transporte de calor , esta estratégia pode ser aplicada a outras propriedades físicas fundamentais importantes, como como magnetismo e supercondutividade, levando a computação de menor energia e transporte mais eficiente de eletricidade. "

 

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