Jaka Tušek, publicado originalmente em Nature Energy
Empurre ou esmague uma nova classe de materiais e eles passarão por mudanças recordes de temperatura.
Depois de perder a visão devido à varíola em 1759, aos 2 anos de idade, John Gough desenvolveu um senso aguçado do tato. O naturalista em formação logo aprendeu a identificar as plantas pelo tato, tocando seus cabelos com o lábio inferior e seus estames e pistilos com a língua. Então, quando adulto, ele esticou rapidamente um pedaço de borracha natural e sentiu seu calor repentino em seu lábio – e seu subsequente frescor quando ele relaxou – ele ganhou o que considerou a prova mais direta e convincente de um fenômeno curioso.
Ele descreveu suas observações em 1802, fornecendo o primeiro registro, pelo menos em inglês, do que agora é conhecido como efeito elastocalórico. Faz parte de uma categoria mais ampla de efeitos calóricos, em que algum gatilho externo – uma força, pressão, um campo magnético ou elétrico – induz uma mudança na temperatura de um material.
Mas os efeitos calóricos se tornaram mais do que uma curiosidade.
Nas últimas décadas, os pesquisadores identificaram materiais calóricos cada vez mais poderosos. O objetivo final é construir refrigeradores e condicionadores de ar ecológicos – os dispositivos de resfriamento calórico não vazam refrigerantes prejudiciais, que podem ser milhares de vezes mais potentes do que o dióxido de carbono como gás de efeito estufa. Mas melhores dispositivos de resfriamento requerem materiais melhores.
Quanto mais um material pode mudar sua temperatura, mais eficiente ele pode ser. E no ano passado, os pesquisadores identificaram dois tipos exclusivos de materiais que podem mudar em uma quantidade sem precedentes. Um responde a uma força aplicada, o outro à pressão. Ambos são capazes de mudanças de temperatura – “delta T” para abreviar – de 30 graus Celsius ou mais.
“Quem diria que você receberia um material para lhe dar um delta T de 30 sozinho disse Ichiro Takeuchi, um cientista de materiais da Universidade de Maryland, College Park, que não fez parte da nova pesquisa. “Isso é enorme.”
Ondas de calor
Gough não sabia, mas quando esticou seu pedaço de borracha há mais de dois séculos, ele alinhou as longas moléculas de dentro. O alinhamento reduziu a desordem no sistema – desordem medida por uma quantidade chamada entropia.
De acordo com a segunda lei da termodinâmica, a entropia total de um sistema fechado deve aumentar, ou pelo menos permanecer constante. Se a entropia da configuração molecular da borracha diminui, a entropia deve aumentar em outro lugar.
Em um pedaço de borracha como o de Gough, o aumento da entropia acontece no movimento vibracional das moléculas. As moléculas tremem, e esse impulso no movimento molecular se manifesta como calor – um calor aparentemente oculto chamado calor latente. Se a borracha for esticada com rapidez suficiente, o calor latente permanece no material e sua temperatura aumenta.
Muitos materiais têm pelo menos um leve efeito elastocalórico, aquecendo um pouco quando espremidos ou esticados. Mas para atingir mudanças de temperatura grandes o suficiente para serem úteis em um sistema de resfriamento, o material precisaria de uma mudança correspondente muito maior na entropia.
Os melhores materiais elastocalóricos até agora são ligas com memória de forma. Eles funcionam devido a uma mudança de fase, semelhante à água líquida que se transforma em gelo. Em uma fase, o material pode deformar e permanecer empenado. Mas se você aumentar o calor, a estrutura de cristal da liga muda para uma fase mais rígida e reverte para qualquer forma que tinha antes (daí o nome liga com memória de forma).
A mudança na estrutura cristalina entre essas duas fases causa uma mudança de entropia. Embora a entropia esteja relacionada à desordem de um sistema, ela é mais precisamente descrita como uma medida do número de configurações que um sistema pode ter. Quanto menos configurações, menos entropia existe. Pense em uma estante de livros: há apenas uma maneira de os livros serem alfabetizados, mas muitas maneiras de retirá-los da ordem alfabética. Assim, uma estante de livros em ordem alfabética é mais ordenada e tem menos entropia.
Em uma liga com memória de forma como o níquel-titânio – que mostrou um dos maiores efeitos elastocalóricos – a estrutura cristalina da fase rígida é cúbica. A fase flexível forma rombóides, que são cubos alongados em forma de diamante.
Esses rombóides têm menos configurações possíveis do que os cubos. Considere que um quadrado permanecerá inalterado se girado em quatro ângulos possíveis: 90, 180, 270 ou 360 graus. Um losango, por outro lado, terá a mesma aparência somente após duas dessas rotações: 180 e 360 graus.
Como a fase flexível tem menos configurações possíveis, ela tem menos entropia. Quando uma força externa empurra a liga enquanto ela está em sua fase rígida, o metal faz a transição para sua fase flexível de baixa entropia. Tal como acontece com a borracha de Gough, uma queda de entropia na estrutura do metal requer um aumento na entropia de suas vibrações atômicas, o que aquece o material.
Em um ar condicionado ou refrigerador, você teria que remover rapidamente esse calor enquanto mantém a liga em sua fase flexível e de baixa entropia. Uma vez que a força é removida, a liga retorna à sua fase rígida de alta entropia. Mas para que isso aconteça, a estrutura atômica deve adquirir entropia dos átomos vibrantes da liga. Os átomos vibram menos e, como essas vibrações são simplesmente calor, a temperatura da liga cai. O metal frio pode então resfriar seus arredores.
O progresso nesses materiais tem sido constante. Em 2012, Takeuchi e colegas mediram uma mudança de temperatura de 17 graus Celsius em fios de níquel-titânio. Três anos depois, Jaka Tušek da Universidade de Ljubljana e outros observaram uma mudança de 25 graus em fios semelhantes.
Então, no ano passado, um grupo baseado na Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim descobriu uma nova liga de níquel-manganês-titânio com memória de forma, que apresenta o que eles chamam de uma mudança de temperatura “colossal” de 31,5 graus. “Até agora, este material é o melhor”, disse Antoni Planes, um físico do estado sólido da Universidade de Barcelona que fazia parte da equipe.
O que o torna tão bom? Durante uma transição de fase, as ligas de níquel-manganês encolhem. Como o volume corresponde ao número de configurações atômicas possíveis do material, uma redução no volume leva a uma redução adicional na entropia. “Essa contribuição extra é o que torna este material interessante”, disse Planes.
Resfriar sob pressão
No entanto, as ligas com memória de forma têm limitações. Notavelmente, se você apertar um pedaço de metal repetidamente, o material vai se cansar.
Em parte por esse motivo, os pesquisadores também buscaram materiais “barocalóricos”, que aquecem quando você aplica pressão. É o mesmo princípio básico: a pressão induz uma mudança de fase, reduzindo a entropia e aquecendo o material.
Um material intrigante é o neopentilglicol, um tipo de cristal plástico. Este material é macio e deformável, consistindo de moléculas fracamente ligadas em uma estrutura cristalina.
As moléculas de neopentilgilol são redondas e dispostas em uma rede tridimensional. Eles interagem um com o outro apenas fracamente e podem girar em cerca de 60 orientações diferentes. Mas aplique pressão suficiente e as moléculas ficam presas. Com menos configurações possíveis, a entropia do material cai.
A elasticidade de um cristal de plástico significa que comprimi-lo reduz seu volume, diminuindo ainda mais a entropia. “Porque eles estão, de certa forma, entre sólidos e líquidos, eles podem exibir mudanças maiores na entropia quando você aplica pressão”, disse Xavier Moya, um físico do estado sólido da Universidade de Cambridge.
No ano passado, duas equipes alcançaram os maiores efeitos barocalóricos já registrados. Nenhuma das equipes mediu diretamente uma mudança de temperatura, mas uma equipe europeia que incluiu Planes e Moya relatou uma mudança de entropia de 500 joules por quilograma por Kelvin – a maior de todos os tempos para um sólido, no mesmo nível das mudanças de entropia em refrigerantes fluidos comerciais. Eles calcularam uma mudança de temperatura correspondente de pelo menos 40 graus. Outra equipe baseada no Laboratório Nacional de Ciência de Materiais de Shenyang na China relatou uma mudança de entropia de 389 J / kg / K.
Mas muitos desafios práticos permanecem. Embora os materiais barocalóricos sejam menos suscetíveis à fadiga do que os materiais elastocalóricos, os novos marcos exigiram pressões colossais de milhares de atmosferas. Essas pressões também exigem que o material seja selado. “É difícil trocar calor entre este material e os arredores se você selar todo o sistema”, disse Tušek.
Na verdade, a troca de calor não é direta, disse Moya. Mas ele está trabalhando em alguns sistemas proprietários para uma empresa de refrigeração barocalórica que ele cofundou, chamada Barocal, que é finalista do Global Cooling Prize, uma competição internacional para encontrar tecnologias de refrigeração sustentáveis. Takeuchi, por sua vez, fundou a Maryland Energy and Sensor Technologies em 2009 para comercializar o resfriamento elastocalórico. Os produtos comerciais estão sendo desenvolvidos com ligas com memória de forma à base de cobre, que são mais macias e não precisam de tanta força quanto as ligas de níquel-titânio.
Por outro lado, Planes e seu colaborador de longa data, Lluís Mañosa, estão se concentrando na multicalórica, que responde a múltiplos estímulos, como força e um campo magnético. Dispositivos multticalóricos provavelmente seriam mais complexos, mas estímulos múltiplos poderiam gerar entropia ainda maior e mudanças de temperatura com maior eficiência. “As perspectivas para o futuro são muito boas”, disse Planes. “Mas, por enquanto, estamos no início.”
Publicado em 26/08/2020 07h41
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