Eletricidade a partir do calor através de um "engarrafamento de electrões"
Um novo truque melhora significativamente o desempenho da termoeletricidade
A eletricidade pode ser facilmente convertida em calor - todos os fogões eléctricos o fazem. Mas será que o contrário também é possível? Pode o calor ser convertido em eletricidade - diretamente, sem uma turbina a vapor ou desvios semelhantes? O físico Thomas Seebeck respondeu a esta pergunta com um claro "sim" há mais de 200 anos. Ele conseguiu demonstrar que certos materiais, conhecidos como "termoeléctricos", geram eletricidade quando aquecidos de um lado e arrefecidos do outro. Uma diferença de temperatura cria energia eléctrica - sem necessidade de geradores mecânicos. Este fenómeno é atualmente conhecido como "efeito Seebeck".
Numa rede kagome, os portadores de carga ficam imobilizados devido a efeitos mecânicos quânticos, que foram utilizados pela equipa de Andrej Pustogow na TU Wien para otimizar o desempenho termoelétrico.
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Estes geradores termoeléctricos são muito práticos quando são necessárias pequenas quantidades de energia eléctrica. São utilizados, por exemplo, em missões espaciais. Infelizmente, porém, os materiais termoeléctricos conhecidos até à data não são suficientemente eficientes para substituir as centrais eléctricas convencionais em grande escala. O grupo de trabalho liderado pelo Prof. Andrej Pustogow do Instituto de Física do Estado Sólido da TU Wien está, por isso, a investigar novos materiais com propriedades termoeléctricas melhoradas. Agora, utilizando um novo truque, conseguiram melhorar significativamente o desempenho dos termoeléctricos.
Mais calor - mais mobilidade
"Apesar de um século de investigação intensiva sobre materiais semicondutores, não houve avanços significativos desde a descoberta dos compostos de telureto de bismuto na década de 1950 que levassem a uma utilização generalizada e quotidiana da tecnologia", afirma Andrej Pustogow. "Demos agora um grande passo em frente - com materiais metálicos que até agora não tinham estado no centro das atenções nesta área."
O efeito Seebeck baseia-se no facto de a mobilidade dos portadores de carga positiva e negativa depender do material, por um lado, mas também da temperatura, por outro. "Vamos supor que temos um semicondutor no qual apenas as cargas eléctricas negativas se podem mover", diz Andrej Pustogow. "No início, estas estão distribuídas uniformemente pelo material, que é eletricamente neutro em todo o lado. No entanto, se um lado for aquecido e o outro arrefecido, os portadores de carga negativa movem-se mais rapidamente e mais longe no lado quente, pelo que haverá menos carga negativa do que no lado frio". Isto cria uma diferença de tensão a partir da qual se pode obter energia eléctrica.
Na maioria dos materiais metálicos, tanto os portadores de carga positiva como negativa podem mover-se. Isto significa que ambos os tipos de portadores de carga móveis tendem a ser encontrados mais no lado frio do que no lado quente. "O positivo e o negativo equilibram-se mutuamente, pelo que não é gerada qualquer tensão desta forma", afirma Andrej Pustogow. "É por isso que os materiais metálicos quase não foram considerados em relação ao efeito termoelétrico. Pensava-se que não eram adequados para este fim. No entanto, conseguimos agora demonstrar que os metais podem, de facto, ser excelentes termoeléctricos."
Velocidades diferentes - engarrafamento de portadores de carga
O truque crucial consiste em assegurar que os portadores de carga positiva e negativa se movem a velocidades diferentes. "Podemos imaginar o movimento das cargas como se estivessem numa autoestrada", explica Pustogow. As cargas positivas circulam na faixa da esquerda e as cargas negativas na faixa da direita. Ao criar um engarrafamento na faixa da esquerda, as cargas positivas ficam presas, enquanto as cargas negativas fluem sem obstáculos na faixa da direita." Desta forma, podem ser obtidos excelentes termoeléctricos, mesmo que tenham portadores de carga positiva e negativa.
O "engarrafamento" é criado pela incorporação de portadores de carga imóveis adicionais no material. A equipa conseguiu demonstrar que isto funciona com certas ligas de níquel-ouro, abre um URL externo numa nova janela já em 2023. "Agora encontrámos uma alternativa significativamente mais barata, sem ouro, num composto de níquel e índio", afirma Fabian Garmroudi, primeiro autor do estudo.
Uma geometria que faz lembrar a cestaria japonesa
Na sua busca de novas alternativas - e sobretudo mais baratas -, os investigadores depararam-se com os chamados metais kagome. O termo "kagome" vem originalmente do japonês e refere-se a cestos de bambu tecidos com um padrão especial de hexágonos e triângulos que se tocam nas extremidades.
"Surpreendentemente, existem materiais na natureza em que os átomos se organizam exatamente neste padrão. Chamamos a isto 'frustração geométrica'. Por exemplo, verifica-se que as cargas podem tornar-se extremamente imóveis e ficam presas na estrela Kagome", explica Garmroudi.
Perspectivas douradas - mesmo sem ouro
Os investigadores conseguiram agora demonstrar que esta geometria Kagome pode conduzir a um efeito Seebeck extremamente grande - consideravelmente maior do que nas ligas de níquel-ouro anteriormente utilizadas. Enquanto as cargas negativas fluem sem impedimentos num metal Kagome, a acumulação de cargas positivas à temperatura ambiente permite uma eficiência muito elevada: os novos termoeléctricos podem mesmo ultrapassar os termoeléctricos de telureto de bismuto disponíveis no mercado. "Com estes metais Kagome, encontrámos ouro e estamos agora a melhorar sistematicamente as suas propriedades termoeléctricas com a nossa experiência na afinação da frustração geométrica", diz Pustogow, cuja equipa na TU Wien estuda materiais frustrados há anos, abre um URL externo numa nova janela.
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Publicação original
Fabian Garmroudi, Jennifer Coulter, Illia Serhiienko, Simone Di Cataldo, Michael Parzer, Alexander Riss, Matthias Grasser, Simon Stockinger, Sergii Khmelevskyi, Kacper Pryga, Bartlomiej Wiendlocha, Karsten Held, Takao Mori, Ernst Bauer, Antoine Georges, Andrej Pustogow; "Topological Flat-Band-Driven Metallic Thermoelectricity"; Physical Review X, Volume 15, 2025-5-14
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