O potencial dos nanotubos de carbono como refrigeradores de circuitos elétricos

Estudo mostrou que, submetidas à tração mecânica, essas estruturas retiram com eficácia calor do meio. Propriedade pode ser aplicada, por exemplo, no arrefecimento de dispositivos eletroeletrônicos flexíveis. Imagem: Freepik.

Por José Tadeu Arantes
Publicado na Agência FAPESP

O resfriamento de dispositivos eletroeletrônicos por meio de refrigeradores de estado sólido 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, tal aplicação 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 estudo, coordenado por Alexandre Fonseca, com participação de seu ex-aluno Tiago Cantuário, foi conduzido no âmbito do projeto “Nanoestruturas de carbono: simulação e modelagem”, apoiado pela FAPESP. Os resultados foram divulgados em artigo publicado na revista Annalen der Physik.

“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, conforme as iniciais da expressão 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 Fonseca à Agência FAPESP.

No mundo macroscópico, um efeito análogo 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, 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”, disse Fonseca.

“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”, disse.

O coeficiente de performance 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 performance 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.

“Simulando o processo para dois nanotubos diferentes, obtivemos os coeficientes de performance de 4,1 e 6,5. Ou seja, números relativamente bons, em comparação com os de outros fenômenos de troca de calor”, disse Fonseca.

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.

Nanoescala

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 performance 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 sólidos, no contexto das mudanças climáticas globais.

O artigo High Performance of Carbon Nanotube Refrigerators, de Tiago E. Cantuario e Alexandre F. Fonseca, pode ser lido em aqui.

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