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Experimentos e supercomputadores revelam material com potencial uso como isolante térmico
Bismutato de bário, material com propriedades isolantes similares às do vidro, poderá ser adotado em tecnologias que exijam alto isolamento térmico e em geração de energia
Entre os experimentos realizados para identificar as propriedades físicas do bismutato de bário (BaBiO₃), foram feitas simulações de transporte de calor em supercomputadores como o Santos Dumont (acima) – Foto: Divulgação / Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC)
Pesquisadores do Instituto de Física (IF) da USP e da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), em colaboração com instituições brasileiras e do exterior, realizaram novas descobertas sobre o bismutato de bário (BaBiO₃), material sintético com propriedades físicas singulares. Análises de laboratório do material e simulações de transporte de calor em supercomputadores revelaram que, apesar de apresentar uma estrutura cristalina ordenada, ele tem baixa condutividade térmica, comparável à do vidro.
Os resultados do trabalho indicam que o BaBiO₃ poderá ser testado em aplicações tecnológicas que exigem alto isolamento térmico, ou, combinado a outros materiais, em dispositivos termoelétricos, que convertem calor em eletricidade, usados, por exemplo, na geração de energia. A pesquisa é descrita em artigo publicado na revista científica Advanced Science.
“A condutividade térmica de um material, κ(T), é uma propriedade física que descreve sua capacidade de conduzir calor. Em cristais, esse transporte térmico é governado principalmente por dois tipos de partículas portadoras de calor: os elétrons e os fônons”, explica ao Jornal da USP a professora Valentina Martelli, do IF, que coordenou a pesquisa. “Enquanto os elétrons desempenham um papel bastante relevante no transporte de calor em materiais metálicos, os fônons desempenham papel central em isolantes e semicondutores, como no caso do BaBiO₃”.
“A eficiência com que esses portadores transferem energia térmica depende de diversos fatores, como a estrutura cristalina, a presença de defeitos, e os mecanismos de espalhamento”, observa a professora. “Como exemplo, podemos citar o diamante, que é um péssimo condutor elétrico, porém ótimo condutor térmico”.
Segundo Valentina Martelli, o BaBiO₃ é um material sintetizado em laboratório. “Trata-se de um óxido de estrutura cristalina com propriedades físicas emergentes que ainda não são muito bem explicadas”, afirma. Além de possuir uma fase isolante não muito bem compreendida, aponta ela, também apresenta uma fase supercondutora, capaz de conduzir eletricidade sem perda resistiva, com adição de chumbo e potássio (Pb/K).
Os fônons são uma representação das vibrações da rede cristalina quando conduzem calor. “Quando um material tem uma condução de calor baixa, significa que os fônons não conseguem avançar muito ao longo do material”, diz a professora. “Nós nos perguntamos então qual é o papel da rede cristalina, ou seja, da vibração dos átomos, em determinar as outras propriedades. O estudo do transporte térmico no BaBiO₃ poderia nos fornecer informações quanto a isso”.
Baixa condutividade térmica
A pesquisa observou que a condutividade térmica do BaBiO₃ era muito baixa em relação ao esperado no caso de um cristal muito limpo e ordenado, sendo até dez vezes mais baixa que outros compostos da mesma família em temperatura ambiente. “Além disso, quando variamos a temperatura, a evolução do transporte térmico é surpreendente e não pode ser entendida com as teorias atuais”, destaca Valentina Martelli. O que chama a atenção dos pesquisadores no BaBiO3 é que, apesar de ter seus átomos organizados em um padrão cristalino, ele apresenta uma condutividade térmica extremamente baixa, que é comparável à de materiais vítreos (amorfos). Isso indica que há algo incomum acontecendo em sua estrutura interna.
“Segundo nosso trabalho experimental-teórico, o material apresenta uma combinação de mecanismos não usuais, como instabilidades dinâmicas, que dificultam de forma bastante efetiva o transporte dos fônons, fazendo com que eles sejam espalhados de maneira eficiente, como se o material fosse um vidro, mesmo sem ser” – Valentina Martelli
“Tentamos explicar o comportamento comparando com simulações, que precisaram do uso de supercomputadores. Lá vimos que as teorias no estado da arte, que fundamentam os cálculos realizados, não explicam o comportamento observado”, descreve a professora.
De acordo com Valentina Martelli, a descoberta do comportamento similar ao vidro (glass-like) do BaBiO₃ é bastante atrativa do ponto de vista de aplicações tecnológicas. “Os resultados indicam que este material pode ser empregado, por exemplo, como isolante em dispositivos que exigem alto isolamento térmico, ou servir de plataforma para novos dispositivos termoelétricos, combinado a outros materiais”.
Dispositivos eletrônicos que operam em ambientes hostis, incluindo sensores, são necessários para aplicações aeroespaciais, tais como satélites, sondas, naves espaciais, entre outras, e nuclear. “Nesse sentido, filmes finos que sejam bons isolantes elétricos e térmicos têm um grande potencial para a proteção e controle térmico dos dispositivos eletrônicos ou da eletrônica embarcada”. Na parte de termoelétricos, devido à alta estabilidade química e estrutural dos óxidos, poderão servir de plataforma para novos módulos termoelétricos que operam a altas temperaturas, gerando energia.
O estudo é o resultado de uma colaboração teórico-experimental, nacional e internacional, que envolveu o uso de múltiplas infraestruturas”, conclui a professora. Os experimentos de transporte térmico foram realizados no Laboratory for Quantum Matter Under Extreme Conditions (LQMEC) do IF, pelo aluno de doutorado Alexandre Henriques, sob orientação da professora Valentina Martelli, em colaboração com Mariana Lima, que realiza estudos de pós-doutorado. Os experimentos no LQMEC tiveram o suporte do professor Julio Larrea Jiménez, do IF.
As caracterizações dos cristais aconteceram em colaboração com Steffen Wirth, do Max Planck Institute, em Dresden (Alemanha), Goran Nilsen e Matthias Guttmann, do ISIS Neutron and Muon Source (Reino Unido). Outras caracterizações, como a de calor específico, foram feitas no Laboratório Nacional de Nanotecnologia (LNNano), que faz parte do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), sediado em Campinas (interior de São Paulo).
O estudo teórico e computacional teve a supervisão do professor Walber Brito, do Departamento de Física da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), usando os supercomputadores Santos Dumont, do Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC), em Petrópolis (Rio de Janeiro), Ada Lovelace, no Centro Nacional de Processamento de Alto Desempenho (CENAPAD-SP) e Coaraci, ambos instalados na Unicamp. A pesquisa contou com o financiamento da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp), Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e Instituto Serrapilheira.
O artigo científico Anomalous Glassy Thermal Conductivity in a Perovskite Bismuthate Induced by Structural Dynamic Instability está disponível neste link.
Mais informações: valentina.martelli@usp.br, com a professora Valentina Martelli
*Estagiária sob orientação de Moisés Dorado
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A reprodução de matérias e fotografias é livre mediante a citação do Jornal da USP e do autor. No caso dos arquivos de áudio, deverão constar dos créditos a Rádio USP e, em sendo explicitados, os autores. Para uso de arquivos de vídeo, esses créditos deverão mencionar a TV USP e, caso estejam explicitados, os autores. Fotos devem ser creditadas como USP Imagens e o nome do fotógrafo.
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