Com informações da Agência Fapesp - 06/05/2019
Esticar e soltar os nanotubos aproveita o efeito elastocalórico, que é diferente dos efeitos magnetocalórico, eletrocalórico ou barocalórico.[Imagem: Cantuario/Fonseca - 10.1002/andp.201800502]
O resfriamento de aparelhos eletroeletrônicos por meio de refrigeradores de estado sólido feitos com nanotubos de carbono é um possível desdobramento tecnológico de um estudo teórico conduzido na Universidade Estadual de Campinas (Unicamp).
Embora não tenha sido contemplada pela pesquisa, conduzida na forma de simulação computacional, essa aplicação prática está no horizonte e poderá vir a ser uma alternativa eficiente e ecologicamente correta aos refrigeradores de gás comprimido, que predominam atualmente no mercado e contribuem para a depleção da camada de ozônio e para o aquecimento global.
"O resfriamento por refrigeradores de estado sólido é um novo campo de pesquisa com resultados promissores. O método que investigamos é baseado no chamado efeito elastocalórico [ECE, na sigla em inglês], que consiste na variação de temperatura de um sistema em resposta a um estresse mecânico. Simulamos computacionalmente esse efeito em nanotubos de carbono", disse Alexandre Alexandre, que orientou Tiago Cantuário na realização do trabalho.
No mundo macroscópico, um análogo do efeito elastocalórico é observado quando se estica rapidamente um elástico e ele se aquece. O efeito se manifesta se a deformação for aplicada sobre o material de modo que ele não troque calor com o meio - vale dizer, na terminologia da física, quando o processo é adiabático.
"Partimos de um artigo publicado em 2016 por Sergey Lisenkov e colaboradores [Universidade do Sul da Flórida], Elastocaloric Effect in Carbon Nanotubes and Graphene. Esse estudo, também baseado em simulação computacional, mostrou que, quando uma pequena deformação, de até 3% do comprimento inicial, era aplicada a nanotubos de carbono, estes respondiam com uma variação de temperatura de até 30 ºC.
"Diferentemente do trabalho de Lisenkov, que simulou apenas a distensão e a compressão simples dos nanotubos, reproduzimos o processo computacionalmente considerando um ciclo termodinâmico completo. Em nossa simulação, consideramos duas fases, a distensão e o relaxamento do nanotubo, e duas trocas de calor com dois reservatórios externos. Estimamos o calor que o nanotubo extrairia se estivesse em contato ideal com um certo meio. E obtivemos um bom resultado para o coeficiente de performance, comparativamente ao de outros materiais testados experimentalmente", detalhou Alexandre.
O coeficiente de desempenho é definido como o calor que um sistema consegue retirar de determinada região dividido pela energia mobilizada para isso. No caso de uma geladeira doméstica, por exemplo, essa grandeza informa quanto calor ela retira do ambiente interno em razão da energia elétrica consumida. As melhores geladeiras domésticas têm coeficientes de desempenho da ordem de 8, isto é, são capazes de transportar cerca de oito vezes mais energia térmica de dentro para fora do que o montante de energia elétrica que retiram da rede para fazê-lo.
A termoacústica é outra abordagem estudado para a refrigeração de estado sólido. [Imagem: Mo Lifton/Purdue University]
"Simulando o processo para dois nanotubos diferentes, obtivemos os coeficientes de desempenho de 4,1 e 6,5. Ou seja, números relativamente bons, em comparação com os de outros fenômenos de troca de calor," disse Alexandre.
O pesquisador apontou ainda outra vantagem, relativa à estrutura atômico-molecular. "Porque, no caso de certos materiais, a aplicação da força de tração faz com que a amostra mude de fase, ou seja, tenha sua estrutura cristalina modificada. No caso do nanotubo, o efeito térmico se deve unicamente à expansão e ao relaxamento da estrutura, que não é modificada. Isso é uma vantagem porque, em geral, as transformações de fase fazem com que o material paulatinamente perca a capacidade de efetuar a função de interesse. Mas, no caso do nanotubo, o processo não produz nenhuma transformação estrutural capaz de deixar defeitos: os átomos são afastados durante a expansão e retornam à posição original com o relaxamento," disse.
Segundo o pesquisador, há experimentos de ruptura que mostram que o nanotubo de carbono é capaz de suportar distensões de até 20%. E essa resistência à deformação, aliada à alta desempenho relativa ao efeito elastocalórico, fazem dos nanotubos de carbono materiais bastante interessantes para o desenvolvimento de eletrônica em nanoescala.
"Isso porque um problema central da eletrônica é a refrigeração. Nossa motivação foi imaginar um dispositivo que, por meio de um ciclo simples, pudesse extrair calor de um equipamento. Os nanotubos de carbono mostraram ser muito promissores. Além disso, eles possuem uma virtude a mais: são pequenos o bastante para serem incorporados a matrizes poliméricas, uma qualidade bastante desejável em um momento em que a indústria investe em pesquisas para a obtenção de dispositivos eletrônicos flexíveis, como os celulares dobráveis", disse.
Tudo isso se inscreve em um quadro mais vasto, que é o da substituição de refrigeradores gasosos por refrigeradores de estado sólido, no contexto das mudanças climáticas globais.
High Performance of Carbon Nanotube Refrigerators
Tiago E. Cantuario, Alexandre F. Fonseca
Annalen der Physik
Vol.: 2016, 16 (11), pp 7008-7012
DOI: 10.1002/andp.201800502
Elastocaloric Effect in Carbon Nanotubes and Graphene
Sergey Lisenkov, Ryan Herchig, Satyanarayan Patel, Rahul Vaish, Joseph Cuozzo, Inna Ponomareva
DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03155
Esticar e soltar os nanotubos aproveita o efeito elastocalórico, que é diferente dos efeitos magnetocalórico, eletrocalórico ou barocalórico.[Imagem: Cantuario/Fonseca - 10.1002/andp.201800502]
Refrigeração com nanotubos
O resfriamento de aparelhos eletroeletrônicos por meio de refrigeradores de estado sólido feitos com nanotubos de carbono é um possível desdobramento tecnológico de um estudo teórico conduzido na Universidade Estadual de Campinas (Unicamp).
Embora não tenha sido contemplada pela pesquisa, conduzida na forma de simulação computacional, essa aplicação prática está no horizonte e poderá vir a ser uma alternativa eficiente e ecologicamente correta aos refrigeradores de gás comprimido, que predominam atualmente no mercado e contribuem para a depleção da camada de ozônio e para o aquecimento global.
"O resfriamento por refrigeradores de estado sólido é um novo campo de pesquisa com resultados promissores. O método que investigamos é baseado no chamado efeito elastocalórico [ECE, na sigla em inglês], que consiste na variação de temperatura de um sistema em resposta a um estresse mecânico. Simulamos computacionalmente esse efeito em nanotubos de carbono", disse Alexandre Alexandre, que orientou Tiago Cantuário na realização do trabalho.
No mundo macroscópico, um análogo do efeito elastocalórico é observado quando se estica rapidamente um elástico e ele se aquece. O efeito se manifesta se a deformação for aplicada sobre o material de modo que ele não troque calor com o meio - vale dizer, na terminologia da física, quando o processo é adiabático.
Coeficiente de desempenho
"Partimos de um artigo publicado em 2016 por Sergey Lisenkov e colaboradores [Universidade do Sul da Flórida], Elastocaloric Effect in Carbon Nanotubes and Graphene. Esse estudo, também baseado em simulação computacional, mostrou que, quando uma pequena deformação, de até 3% do comprimento inicial, era aplicada a nanotubos de carbono, estes respondiam com uma variação de temperatura de até 30 ºC.
"Diferentemente do trabalho de Lisenkov, que simulou apenas a distensão e a compressão simples dos nanotubos, reproduzimos o processo computacionalmente considerando um ciclo termodinâmico completo. Em nossa simulação, consideramos duas fases, a distensão e o relaxamento do nanotubo, e duas trocas de calor com dois reservatórios externos. Estimamos o calor que o nanotubo extrairia se estivesse em contato ideal com um certo meio. E obtivemos um bom resultado para o coeficiente de performance, comparativamente ao de outros materiais testados experimentalmente", detalhou Alexandre.
O coeficiente de desempenho é definido como o calor que um sistema consegue retirar de determinada região dividido pela energia mobilizada para isso. No caso de uma geladeira doméstica, por exemplo, essa grandeza informa quanto calor ela retira do ambiente interno em razão da energia elétrica consumida. As melhores geladeiras domésticas têm coeficientes de desempenho da ordem de 8, isto é, são capazes de transportar cerca de oito vezes mais energia térmica de dentro para fora do que o montante de energia elétrica que retiram da rede para fazê-lo.
A termoacústica é outra abordagem estudado para a refrigeração de estado sólido. [Imagem: Mo Lifton/Purdue University]
"Simulando o processo para dois nanotubos diferentes, obtivemos os coeficientes de desempenho de 4,1 e 6,5. Ou seja, números relativamente bons, em comparação com os de outros fenômenos de troca de calor," disse Alexandre.
O pesquisador apontou ainda outra vantagem, relativa à estrutura atômico-molecular. "Porque, no caso de certos materiais, a aplicação da força de tração faz com que a amostra mude de fase, ou seja, tenha sua estrutura cristalina modificada. No caso do nanotubo, o efeito térmico se deve unicamente à expansão e ao relaxamento da estrutura, que não é modificada. Isso é uma vantagem porque, em geral, as transformações de fase fazem com que o material paulatinamente perca a capacidade de efetuar a função de interesse. Mas, no caso do nanotubo, o processo não produz nenhuma transformação estrutural capaz de deixar defeitos: os átomos são afastados durante a expansão e retornam à posição original com o relaxamento," disse.
Refrigeração na eletrônica
Segundo o pesquisador, há experimentos de ruptura que mostram que o nanotubo de carbono é capaz de suportar distensões de até 20%. E essa resistência à deformação, aliada à alta desempenho relativa ao efeito elastocalórico, fazem dos nanotubos de carbono materiais bastante interessantes para o desenvolvimento de eletrônica em nanoescala.
"Isso porque um problema central da eletrônica é a refrigeração. Nossa motivação foi imaginar um dispositivo que, por meio de um ciclo simples, pudesse extrair calor de um equipamento. Os nanotubos de carbono mostraram ser muito promissores. Além disso, eles possuem uma virtude a mais: são pequenos o bastante para serem incorporados a matrizes poliméricas, uma qualidade bastante desejável em um momento em que a indústria investe em pesquisas para a obtenção de dispositivos eletrônicos flexíveis, como os celulares dobráveis", disse.
Tudo isso se inscreve em um quadro mais vasto, que é o da substituição de refrigeradores gasosos por refrigeradores de estado sólido, no contexto das mudanças climáticas globais.
Bibliografia:
High Performance of Carbon Nanotube Refrigerators
Tiago E. Cantuario, Alexandre F. Fonseca
Annalen der Physik
Vol.: 2016, 16 (11), pp 7008-7012
DOI: 10.1002/andp.201800502
Elastocaloric Effect in Carbon Nanotubes and Graphene
Sergey Lisenkov, Ryan Herchig, Satyanarayan Patel, Rahul Vaish, Joseph Cuozzo, Inna Ponomareva
DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03155
Fonte: Inovação Tecnológica
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