Um dos desafios da engenharia é conseguir bloquear a transferência de calor sem recorrer a materiais macios, porosos ou volumosos. Pesquisadores encontraram uma alternativa que combina propriedades aparentemente contraditórias e pode abrir novas possibilidades para eletrônica, indústria aeroespacial e, futuramente, sistemas de gerenciamento térmico dos automóveis eletrificados.
Controlar o calor é um desafio presente em praticamente toda área da engenharia, mas existe uma dificuldade adicional quando o componente precisa ser simultaneamente rígido e um excelente isolante térmico. Uma pesquisa publicada na revista Science Advances apresenta uma perovskita híbrida capaz de reunir essas duas características.
O novo material apresenta condutividade térmica de aproximadamente 0,04 W/m·K em temperatura ambiente, um valor extremamente baixo para uma estrutura rígida, densa e não porosa. Segundo os pesquisadores, o desempenho se aproxima do limite teórico para esse tipo de material.
“Materiais rígidos que sejam bons isolantes térmicos têm grande utilidade em diversas aplicações, desde utensílios de cozinha até dispositivos eletrônicos e viagens espaciais”, explica Dali Sun, professor da Universidade Estadual da Carolina do Norte, nos Estados Unidos.
A dificuldade está justamente na relação entre as propriedades. Materiais rígidos normalmente conduzem calor com maior facilidade, enquanto muitos isolantes eficientes dependem de estruturas flexíveis ou porosas.
Engenharia molecular muda a forma como o calor se propaga
A solução foi encontrada em uma classe de materiais conhecida como perovskitas híbridas orgânico-inorgânicas em camadas. Elas combinam componentes orgânicos e inorgânicos dentro de uma estrutura cristalina altamente organizada.
Os pesquisadores utilizaram engenharia molecular para substituir determinadas cadeias carbono-carbono das camadas orgânicas por uma combinação baseada em anéis de benzeno. O processo resultou em um filme fino de azobenzeno etil amônio chumbo iodeto.
A modificação interfere na maneira como a energia térmica consegue atravessar a estrutura. Nos sólidos, parte dessa transferência ocorre por meio das vibrações dos átomos da rede cristalina, descritas na física por quasipartículas chamadas fônons.
Modelagens realizadas durante o estudo ajudaram a identificar os mecanismos responsáveis pela redução dessa propagação. Na prática, a estrutura permanece rígida enquanto dificulta a transferência da energia térmica.
Cinco vezes menos condutividade térmica que o silicone
A comparação apresentada pelos pesquisadores ajuda a dimensionar o resultado. O silicone utilizado como referência apresenta condutividade térmica próxima de 0,2 W/m·K, contra aproximadamente 0,04 W/m·K do novo material.
Isso significa uma condutividade térmica cinco vezes menor. Como valores menores indicam maior dificuldade para o calor atravessar o material, o desempenho representa uma diferença significativa em capacidade isolante.
A propriedade mecânica chama ainda mais atenção. Segundo os pesquisadores, o novo composto pode ser entre 700 e 10.000 vezes mais rígido que o silicone, dependendo da condição utilizada na comparação.
Essa combinação permite pensar em barreiras térmicas que não dependam necessariamente de grandes espessuras de espuma, fibras ou outros materiais tradicionalmente utilizados para isolamento.
Produção em filme fino amplia as possibilidades
Outro diferencial está na fabricação. O material pode ser produzido na forma de filme fino e apresenta potencial para processos industriais contínuos do tipo rolo a rolo, tecnologia utilizada para fabricar grandes extensões de películas e revestimentos.
Essa característica pode ser tão relevante quanto o desempenho térmico. Uma tecnologia com excelentes propriedades no laboratório precisa também apresentar caminhos para fabricação em escala se quiser chegar a aplicações comerciais.
A possibilidade de aplicar o material como revestimento também pode favorecer setores nos quais peso, volume disponível e controle térmico são fatores críticos, como eletrônica e indústria aeroespacial.
E onde os automóveis entram nessa história?
A pesquisa não apresenta o material como uma solução automotiva pronta, mas suas características dialogam com um desafio crescente da indústria: controlar temperaturas em veículos cada vez mais eletrificados e carregados de componentes eletrônicos.
Uma bateria de alta tensão, por exemplo, precisa trabalhar dentro de uma faixa térmica adequada. Motores elétricos, inversores, conversores, carregadores e computadores também geram calor durante a operação.
Gerenciamento térmico, entretanto, não consiste apenas em resfriar componentes. Existem áreas nas quais a engenharia precisa retirar calor rapidamente e outras nas quais precisa impedir que ele seja transmitido para sistemas próximos.
Uma barreira fina, rígida e altamente isolante poderia ter aplicações nesse segundo grupo. Ainda não há, porém, indicação de aplicação automotiva comercial para o material apresentado no estudo.
Antes disso, seriam necessárias avaliações envolvendo durabilidade, vibração, impactos, ciclos térmicos, umidade, agentes químicos, segurança e custos de fabricação.
Há ainda uma questão importante na própria composição: o material experimental contém chumbo, fator que precisaria ser considerado diante das exigências ambientais, industriais e de segurança de qualquer eventual aplicação em grande escala.
Mecânica Online® com Tarcisio Dias – O número de 0,04 W/m·K impressiona, mas a principal contribuição dessa pesquisa está na combinação entre rigidez e isolamento térmico. Para a engenharia automotiva, isso ganha relevância principalmente porque a eletrificação está transformando o controle de temperatura em parte fundamental do projeto do veículo.
Uma bateria precisa permanecer dentro de uma determinada faixa térmica, enquanto motor elétrico, inversor, carregador e eletrônica de potência produzem calor em intensidades e momentos diferentes. Ao mesmo tempo, é necessário evitar que parte dessa energia térmica alcance regiões sensíveis ou o próprio habitáculo.
Por isso, gerenciamento térmico não significa simplesmente colocar um sistema de refrigeração maior. A engenharia precisa decidir onde o calor deve circular, para onde precisa ser conduzido e quais componentes devem permanecer termicamente isolados.
Se materiais dessa natureza conseguirem superar os desafios de durabilidade, custo, segurança e produção industrial, poderão oferecer aos engenheiros uma ferramenta adicional para criar barreiras térmicas mais finas e estruturalmente resistentes.
Existe também uma relação com eficiência energética. Em um automóvel elétrico, a energia utilizada para climatização e controle térmico sai da mesma bateria responsável pela propulsão. Reduzir perdas e administrar melhor as temperaturas pode contribuir para aproveitar de maneira mais eficiente a energia armazenada, embora o estudo apresentado não quantifique qualquer ganho de autonomia automotiva.
Ainda existe uma distância considerável entre esse resultado de laboratório e uma aplicação em veículos, especialmente pela presença de chumbo na composição. O avanço mais relevante, neste momento, está em demonstrar que a própria arquitetura molecular pode ser projetada para controlar a propagação do calor sem abrir mão da rigidez.
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- 0,04 W/m·K – É a condutividade térmica aproximada apresentada pelo novo material em temperatura ambiente, um valor muito baixo para uma estrutura rígida e não porosa.
- Cinco vezes menor – Na comparação apresentada pelos pesquisadores, sua condutividade térmica é cinco vezes inferior aos cerca de 0,2 W/m·K do silicone usado como referência.
- Até 10 mil vezes mais rígido – A diferença de rigidez em relação ao silicone varia de aproximadamente 700 a 10.000 vezes, segundo os pesquisadores.
- Produção em escala – O material pode ser produzido como filme fino e apresenta potencial de fabricação por processos contínuos do tipo rolo a rolo.
- Aplicação automotiva ainda é potencial – O estudo não anuncia utilização em veículos; essa possibilidade decorre das características térmicas apresentadas e ainda exigiria desenvolvimento específico.
- Chumbo exige atenção – A composição experimental contém chumbo, questão relevante para uma eventual transformação da descoberta em produto comercial.
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- Condutividade térmica – Mede a facilidade com que o calor atravessa um material. Quanto menor o valor em W/m·K, maior é a resistência à passagem do calor.
- Perovskita híbrida – Material que combina componentes orgânicos e inorgânicos organizados em uma estrutura cristalina, permitindo ajustar diferentes propriedades por meio de alterações em sua composição.
- Fônons – São uma forma utilizada pela física para representar as vibrações coletivas dos átomos de um sólido, importantes para compreender como a energia térmica se propaga.
- Engenharia molecular – É o desenvolvimento de materiais por meio do controle de moléculas e de sua organização, buscando obter propriedades específicas como rigidez, condutividade elétrica ou isolamento térmico.
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