Condução térmica de materiais complexos decifrada
Novas perspectivas para o desenvolvimento de materiais inovadores com propriedades térmicas personalizadas
Com base em fluxos de trabalho de aprendizagem automática desenvolvidos internamente, os investigadores conseguiram estabelecer que a condução do calor é muito mais complexa do que se pensava anteriormente. As descobertas oferecem potencial para o desenvolvimento de materiais específicos.
Os materiais complexos, como os semicondutores orgânicos ou os cristais microporosos conhecidos como MOF, estão já a ser utilizados em numerosas aplicações, como os ecrãs OLED, as células solares, o armazenamento de gás e a extração de água. No entanto, ainda guardam alguns segredos. Um deles é a forma como o transporte de calor ocorre neles em pormenor. A equipa de investigação de Egbert Zojer no Instituto de Física do Estado Sólido da TU Graz, em colaboração com colegas da TU Wien e da Universidade de Cambridge, resolveu agora este mistério utilizando o exemplo dos semicondutores orgânicos, abrindo novas perspectivas para o desenvolvimento de materiais inovadores com propriedades térmicas personalizadas. A equipa publicou os seus resultados na prestigiada revista npj Computational Materials.
O transporte de calor era anteriormente negligenciado
"Há cerca de 40 anos que os cientistas investigam o transporte de cargas eléctricas em semicondutores orgânicos, mas nunca ninguém tinha analisado em pormenor os mecanismos relevantes para o transporte de calor", explica Egbert Zojer. "No entanto, as propriedades fundamentais dos materiais são muito interessantes para nós e os conhecimentos que obtivemos sobre o transporte de calor em semicondutores orgânicos são também diretamente relevantes para muitos outros materiais complexos. Isto aplica-se tanto a materiais em que a baixa condutividade térmica se destina a obter um grande efeito termoelétrico como a materiais que se destinam a fornecer ou dissipar eficientemente a energia térmica através de uma elevada condutividade térmica. O facto de podermos agora determinar e compreender o transporte de calor com tanta precisão é único".
A equipa de investigação conseguiu este avanço utilizando a aprendizagem automática num contexto bastante invulgar. Em vez de procurarem correlações em observações empíricas, como é habitual, os investigadores procuraram causalidades com base nas estratégias que tinham desenvolvido no passado para utilizar potenciais de aprendizagem automática particularmente eficientes. Queriam descobrir como e porque é que o calor se distribui de uma determinada forma dentro de um material. As explicações anteriores para o transporte de calor pressupunham um transporte de fonões semelhante ao das partículas, mesmo para materiais cristalinos complexos. Estes últimos são pacotes de energia atribuídos às vibrações da rede, cujo transporte é normalmente descrito em termos do transporte de átomos de gás. No entanto, as novas descobertas mostram que um mecanismo adicional desempenha um papel decisivo: o transporte de fónons por tunelamento.
O comprimento molecular como fator decisivo
O transporte por túnel baseia-se no carácter ondulatório das vibrações atómicas nos sólidos e é particularmente importante em materiais complexos com baixa condutividade térmica. Foi demonstrado que este mecanismo de transporte se torna mais importante com o tamanho das moléculas que formam um cristal semicondutor orgânico.
"Podemos imaginar que o transporte de calor não é apenas determinado pelas colisões dos quanta vibracionais, mas também por um "efeito de túnel" que une dois estados vibracionais separados", afirma Lukas Legenstein, coautor da publicação. "Esta descoberta não só explica porque é que certos semicondutores orgânicos apresentam uma dependência invulgarmente baixa da temperatura da sua condutividade térmica, como também permite uma conceção mais direcionada de materiais com propriedades térmicas específicas. Podemos agora influenciar a condução do calor através da conceção específica da estrutura molecular". Posteriormente, os investigadores gostariam de aplicar estes novos conhecimentos aos versáteis MOFs, uma vez que o transporte de calor desempenha um papel ainda mais importante em praticamente todas as aplicações potenciais desta classe de materiais do que nos semicondutores orgânicos.
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