O material barocalórico de elevada densidade energética poderá permitir dispositivos de arrefecimento de estado sólido mais pequenos e mais leves
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Uma equipa de investigação colaboradora do Instituto de Física do Estado Sólido, dos Institutos de Ciências Físicas de Hefei da Academia Chinesa de Ciências, descobriu um efeito barocalórico de alta densidade energética no condutor superiónico plástico Ag₂Te₁₋ₓSₓ.
Condutor superiónico de plástico Ag₂Te₁₋ₓSₓ
TONG Peng
"Este material mostra um desempenho barocalórico volumétrico muito além do da maioria dos materiais inorgânicos conhecidos", disse o Prof. TONG Peng, que liderou a equipe. "Sua alta densidade de energia o torna adequado para dispositivos de resfriamento menores e mais leves."
As descobertas foram publicadas online na revista Advanced Functional Materials .
A refrigeração moderna baseia-se principalmente em sistemas de compressão de vapor, que utilizam refrigerantes com efeito de estufa e já estão perto do seu limite de eficiência. A refrigeração barocalórica - arrefecimento por aplicação de pressão a materiais sólidos - oferece uma alternativa mais limpa e potencialmente mais eficiente. No entanto, um fator-chave para os dispositivos reais, a alteração volumétrica da entropia, ainda não foi bem estudado.
Através da simulação de elementos finitos, a equipa descobriu que a redução do tamanho do recipiente aumenta a sua capacidade de suportar pressão, permitindo assim uma redução da espessura da parede e uma redução secundária do peso. Este facto realça a necessidade de materiais de alta densidade energética, mas a maioria dos materiais barocalóricos conhecidos ainda fica aquém neste domínio.
Neste estudo, a equipa focou-se numa solução sólida densa, Ag₂Te₁₋ₓSₓ. Experimentos mostraram que sob uma pressão moderada de apenas 70 MPa, o material produz uma mudança de entropia volumétrica reversível de 0,478 J-cm-³-K-¹-o maior valor relatado para qualquer material barocalórico inorgânico até agora. A sua força barocalórica, 6,82 mJ-cm-³-K-¹-MPa-¹, também ultrapassa a maioria dos sistemas inorgânicos e até supera materiais orgânicos bem conhecidos, como o neopentilglicol.
Os dados de difração de neutrões revelam o que está na origem desta resposta térmica invulgarmente forte. Quando é aplicada pressão, o material sofre uma mudança estrutural de uma fase cúbica para uma fase monoclínica, acompanhada por uma alteração do volume da rede de cerca de 5,4%. Ao mesmo tempo, a difusão dos iões de prata no interior da estrutura altera-se acentuadamente, amplificando ainda mais o efeito calórico.
O material também apresenta várias vantagens práticas. Conduz relativamente bem o calor e é altamente deformável, permitindo-lhe ser moldado em pellets à escala milimétrica ou em folhas finas que podem trocar calor de forma eficiente. Mesmo após forte deformação, rápidas mudanças de temperatura e repetidos ciclos de pressão, o desempenho barocalórico permanece estável - um importante sinal de fiabilidade para futuras tecnologias de arrefecimento de estado sólido.
Este trabalho introduz uma nova plataforma de materiais que combina efeitos barocalóricos volumétricos gigantescos, boa processabilidade mecânica e condutividade térmica relativamente elevada - oferecendo novas possibilidades para as tecnologias de arrefecimento ecológico da próxima geração.
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