O calor é algo que encontramos todos os dias. Uma xícara de café fumegante esfria gradualmente, um laptop aquece durante o uso e a luz solar aquece a superfície da Terra. No entanto, quando o calor é examinado a distâncias muito menores que a largura de um fio de cabelo humano, ele pode manifestar-se de formas inesperadas.
Pesquisadores da Carnegie Mellon University, trabalhando com colaboradores da Stanford University e da Purdue University, demonstraram agora uma nova maneira poderosa de controlar o calor em escala nanométrica. Suas descobertas foram publicadas em naturezafornecem fortes evidências experimentais de que a transferência de calor pode ser projetada intencionalmente e significativamente melhorada usando metamateriais especialmente projetados.
Como o calor viaja através de pequenas lacunas
A pesquisa se concentra em um fenômeno chamado transferência de calor radiativo de campo próximo. Quando dois objetos estão separados por uma distância extremamente curta (apenas algumas centenas de nanômetros), o calor viaja entre eles com muito mais eficiência do que em condições normais.
Em vez de simplesmente irradiar para fora, a energia térmica pode efetivamente passar por lacunas estreitas por meio de ondas eletromagnéticas. Este processo permite que mais calor flua de um objeto para outro do que normalmente seria esperado.
Os cientistas sabem deste efeito há anos, mas demonstrar experimentalmente como melhorá-lo significativamente continua a ser um desafio.
Metamateriais aumentam a transferência de calor
Para conseguir isso, os pesquisadores estão recorrendo aos metamateriais, materiais projetados contendo estruturas microscópicas repetitivas projetadas para interagir com a energia de uma forma altamente controlada.
“Ao contrário dos materiais tradicionais, os metamateriais são feitos de minúsculos padrões repetidos que interagem com a energia de maneiras precisas”, disse Sheng Shen, professor de engenharia mecânica na Universidade Carnegie Mellon e autor sênior do estudo. “Padronizamos estruturas microscópicas de ouro no filme e as colocamos frente a frente em lacunas em escala nanométrica. Isso aumentou a transferência de calor por um fator de quatro em comparação com uma configuração semelhante sem metamateriais, excedendo em muito o que a física convencional prevê em distâncias mais longas.”
Os experimentos da equipe mostraram que a estrutura com padrão dourado aumentou significativamente a quantidade de calor que se move através da lacuna, alcançando uma taxa de transferência de calor quatro vezes maior do que sistemas comparáveis sem padrões de engenharia.
A ciência por trás dos efeitos
Essa melhoria não é simplesmente o resultado da adição de mais rotas para o calor viajar.
“Em vez de simplesmente adicionar mais caminhos para o calor, a estrutura do ouro interage com ondas de energia que ocorrem naturalmente no material, chamadas polaritons de fônons de superfície, criando um efeito de ressonância”, disse Ze Xiaowang, estudante de doutorado no grupo de pesquisa do professor Shen e co-primeiro autor do estudo. “Essas vibrações acopladas permitem que a energia atravesse a lacuna de forma mais livre e eficiente.”
Os pesquisadores afirmam que o efeito ocorre devido a uma combinação da microestrutura e das ondas de energia naturais do material.
“É um efeito sinérgico”, disse Shen. “Estrutura e material amplificam-se.”
Aplicações potenciais em eletrônica e energia
Esta descoberta pode ter aplicações práticas importantes. À medida que os dispositivos eletrônicos se tornam menores e mais potentes, a remoção do excesso de calor tornou-se um dos desafios de engenharia mais significativos.
Ser capaz de direcionar e controlar o calor de forma mais eficiente poderia melhorar os métodos de resfriamento de chips de computador e outros sistemas eletrônicos de alto desempenho.
As descobertas também podem beneficiar a tecnologia energética. Os sistemas termofotovoltaicos aproveitam o calor para gerar eletricidade, convertendo a radiação térmica em eletricidade utilizável. Melhorar a eficiência da transferência de radiação térmica poderia ajudar a tornar estas tecnologias mais viáveis.
Além disso, aplicações que envolvem detecção infravermelha podem se beneficiar de sinais térmicos mais fortes e controlados com mais precisão. Os usos potenciais variam do monitoramento ambiental à segurança nacional.
Um passo em direção à febre da engenharia
Embora estas experiências tenham sido realizadas sob condições laboratoriais rigorosamente controladas e ainda estejam limitadas a sistemas em nanoescala, este trabalho representa um avanço importante das previsões teóricas para demonstrações no mundo real.
“Se o calor puder ser projetado com a mesma precisão que a eletricidade ou a luz, isso poderá abrir a porta para novos tipos de tecnologia que possam não apenas suportar o calor, mas também aproveitá-lo”, disse Shen.
Este trabalho foi apoiado pela Agência de Redução de Ameaças de Defesa, pela National Science Foundation e pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea. Shen Sheng e Fan Shanhui são os autores correspondentes. Zexiao Wang, Renwen Yu e Hakan Salihoglu contribuíram igualmente para este trabalho.
