Metal vira termoelétrico graças a engarrafamento de elétrons

Energia

Redação do Site Inovação Tecnológica – 30/06/2025

Efeito Seebeck

Muito antes de explorarmos o uso da eletricidade para aquecer as coisas, convertendo energia eltrica em calor, Thomas Seebeck [1770-1831] demonstrou que o contrrio tambm possvel – graas a determinados materiais, chamados termoeltricos, possvel converter calor diretamente em eletricidade, sem geradores, sem turbinas ou qualquer outro aparato mecnico.

Contudo, enquanto a primeira opo est por todos os lugares, dos foges e chuveiros eltricos s grandes caldeiras industriais, o chamado efeito Seebeck permanece largamente inexplorado devido baixa eficincia dos materiais termoeltricos disponveis.

Agora, Fabian Garmroudi e colegas da Universidade Tcnica de Viena, na ustria, descobriram um truque que lhes permitiu aumentar significativamente o desempenho dos termoeltricos: Eles usaram metais, em vez dos tradicionais semicondutores.

O efeito Seebeck se baseia no fato de que a mobilidade dos portadores de carga positiva (lacunas) e negativa (eltrons) depende tanto do material quanto da temperatura em que esse material se encontra. “Vamos supor que temos um semicondutor no qual apenas cargas eltricas negativas podem se mover,” explica o professor Andrej Pustogow. “Inicialmente, elas so distribudas uniformemente por todo o material, que eletricamente neutro em todos os lugares. No entanto, se um lado for aquecido e o outro resfriado, os portadores de carga negativa se movem mais rpido e mais longe no lado quente, de modo que haver menos carga negativa ali do que no lado frio.”

Isso cria uma diferena de tenso a partir da qual a energia eltrica pode ser obtida.

Termoeltrico metlico

Na maioria dos materiais metlicos tanto os portadores de carga positivos quanto os negativos podem se mover. Isso significa que ambos os tipos de portadores de carga mveis tendem a ser encontrados mais no lado frio do que no lado quente. “Positivo e negativo se equilibram, ento nenhuma tenso gerada dessa forma,” disse Pustogow. ” por isso que os materiais metlicos raramente eram considerados em relao ao efeito termoeltrico.”

Contudo, a equipe agora conseguiu demonstrar que os metais podem na verdade ser excelentes termoeltricos. O truque crucial garantir que os portadores de carga positivos e negativos se movam em velocidades diferentes.

“Voc pode imaginar o movimento das cargas como se estivessem em uma rodovia,” explica Pustogow. “As cargas positivas fluem na faixa da esquerda e as negativas na faixa da direita. Ao criar um congestionamento na faixa da esquerda, as cargas positivas ficam presas, enquanto as negativas fluem livremente na faixa da direita.” Dessa forma, possvel obter excelentes termoeltricos, mesmo tendo portadores de carga positivos e negativos.

A equipe trabalhou com ligas de nquel, ndio e estanho. O engarrafamento dos eltrons criado incorporando portadores de carga imveis adicionais ao material. Eles j haviam conseguido demonstrar que isso funciona com certas ligas de nquel-ouro j em 2023. “Agora, encontramos uma alternativa significativamente mais barata, sem ouro, em um composto de nquel e ndio,” contou Fabian Garmroudi, que identificou o novo material.

Vale ouro – mas no ouro

Em sua busca de alternativas mais baratas do que o ouro, os pesquisadores se depararam com os chamados metais kagome. O termo “kagome” vem originalmente do japons e se refere a cestos de bambu tranados com um padro especial de hexgonos e tringulos que se tocam nas bordas.

“Surpreendentemente, existem materiais na natureza nos quais os tomos se organizam exatamente nesse padro. Chamamos isso de ‘frustrao geomtrica‘. Por exemplo, ocorre que cargas eltricas podem se tornar extremamente imveis e ficar presas dentro da estrela de kagome,” explica Garmroudi.

Os pesquisadores conseguiram demonstrar que essa geometria kagome pode levar a um efeito Seebeck extremamente alto, consideravelmente maior do que o apresentado pelas ligas de nquel-ouro utilizadas anteriormente. Enquanto as cargas negativas fluem livremente em um metal kagome, o acmulo de cargas positivas temperatura ambiente permite uma eficincia altssima: Os novos termoeltricos podem at mesmo superar os termoeltricos semicondutores de telureto de bismuto disponveis comercialmente.

“Com esses metais kagome encontramos ouro, e agora estamos aprimorando sistematicamente suas propriedades termoeltricas com nossa especializao em ajuste de frustrao geomtrica,” anunciou Pustogow, cuja equipe estuda materiais frustrados h anos, j tendo descoberto, por exemplo, que o magnetismo pode ser controlado ativamente por presso.

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