Novos materiais híbridos como termoeléctricos eficientes
Uma equipa internacional liderada por Fabian Garmroudi conseguiu produzir novos e eficientes materiais termoeléctricos que poderão competir com os materiais convencionais, caros e instáveis.
Os materiais termoeléctricos permitem a conversão direta de calor em energia eléctrica. Isto torna-os particularmente atraentes para a emergente "Internet das Coisas", por exemplo, para o fornecimento autónomo de energia a microssensores e outros componentes electrónicos minúsculos. Para tornar os materiais ainda mais eficientes, é necessário conter as vibrações da rede e aumentar a mobilidade dos electrões - um obstáculo que, até à data, tem dificultado frequentemente a investigação.
Uma equipa internacional liderada por Fabian Garmroudi conseguiu agora, através de um novo método, desenvolver materiais híbridos que cumprem ambos os objectivos - redução da coerência das vibrações da rede e aumento da mobilidade dos portadores de carga. A chave: uma mistura de dois materiais com propriedades mecânicas fundamentalmente diferentes, mas com propriedades electrónicas semelhantes.
Fabian Garmroudi
© David Visnjic
Novas propriedades através de uma nova combinação de materiais
Os bons materiais termoeléctricos são aqueles que, por um lado, conduzem bem a eletricidade, mas, por outro, transportam o calor o menos possível - uma aparente contradição, uma vez que os bons condutores eléctricos são geralmente também bons condutores de calor.
"Na matéria sólida, o calor é transferido tanto por portadores de carga condutores de eletricidade como por vibrações dos átomos na rede cristalina. Nos materiais termoeléctricos, tentamos principalmente suprimir o transporte de calor através das vibrações da rede cristalina, uma vez que estas não contribuem para a conversão de energia", explica o primeiro autor Fabian Garmroudi, que concluiu o seu doutoramento na TU Wien e trabalha agora como Diretor's Postdoctoral Fellow no Los Alamos National Laboratory (EUA). Nas últimas décadas, a investigação de materiais desenvolveu métodos sofisticados para conceber materiais termoeléctricos com uma condutividade térmica extremamente baixa.
"Com o apoio do Prémio Lions, pude desenvolver novos materiais híbridos no Instituto Nacional de Ciência dos Materiais, no Japão, que apresentam propriedades termoeléctricas excepcionais", recorda Garmroudi sobre a sua estadia de investigação em Tsukuba (Japão), que completou como parte do seu trabalho na TU Wien. Especificamente, o pó de uma liga de ferro, vanádio, tântalo e alumínio (Fe2V0.95Ta0.1Al0.95) foi misturado com um pó de bismuto e antimónio (Bi0.9Sb0.1) e prensado num material compacto sob alta pressão e temperatura. No entanto, devido às suas diferentes propriedades químicas e mecânicas, os dois componentes não se misturam a nível atómico. Em vez disso, o material BiSb é depositado preferencialmente nas interfaces de tamanho micrométrico entre os cristais da liga FeVTaAl.
O transporte de calor e de carga é dissociado
As estruturas de rede dos dois materiais e, por conseguinte, também as suas vibrações de rede permitidas pela mecânica quântica, são tão diferentes que as vibrações térmicas não podem ser simplesmente transferidas de um cristal para o outro. A transferência de calor é, portanto, fortemente inibida nas interfaces. Ao mesmo tempo, o movimento dos portadores de carga permanece desimpedido devido à estrutura eletrónica semelhante e é até significativamente acelerado ao longo das interfaces. A razão: o material BiSb forma aí a chamada fase isolante topológica - uma classe especial de materiais quânticos que são isolantes no interior, mas que permitem um transporte de carga quase sem perdas na superfície.
Esta dissociação específica do transporte de calor e de carga permitiu à equipa aumentar a eficiência do material em mais de 100%. "Isto aproxima-nos muito do nosso objetivo de desenvolver um material termoelétrico que possa competir com os compostos comercialmente disponíveis baseados no telureto de bismuto", afirma Garmroudi. Este último foi desenvolvido na década de 1950 e ainda hoje é considerado o padrão de ouro da termoeletricidade. A grande vantagem dos novos materiais híbridos é o facto de serem significativamente mais estáveis e mais baratos.
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Publicação original
Fabian Garmroudi, Illia Serhiienko, Michael Parzer, Sanyukta Ghosh, Pawel Ziolkowski, Gregor Oppitz, Hieu Duy Nguyen, Cédric Bourgès, Yuya Hattori, Alexander Riss, Sebastian Steyrer, Gerda Rogl, Peter Rogl, Erhard Schafler, Naoyuki Kawamoto, Eckhard Müller, Ernst Bauer, Johannes de Boor, Takao Mori; "Decoupled charge and heat transport in Fe2VAl composite thermoelectrics with topological-insulating grain boundary networks"; Nature Communications, Volume 16, 2025-3-26
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