De acordo com o Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA), pesquisadores desenvolveram materiais termoelétricos de alto desempenho para impressão 3D e construíram um refrigerador termoelétrico.
O gerenciamento rápido e localizado de calor é essencial para dispositivos eletrônicos e pode ter aplicações que vão desde materiais vestíveis até tratamento de queimaduras. Enquanto os chamados materiais termoelétricos convertem diferenças de temperatura em voltagem elétrica e vice-versa, sua eficiência é frequentemente limitada, e sua produção é dispendiosa e desperdiçadora. O artigo foi publicado na Science.
Os resfriadores termoelétricos, também chamados de refrigeradores de estado sólido, podem induzir resfriamento localizado usando uma corrente elétrica para transferir calor de um lado do dispositivo para outro. Suas longas vidas úteis, invulnerabilidade a vazamentos, ajuste de tamanho e forma e a ausência de peças móveis (como líquidos circulantes) tornam esses dispositivos ideais para diversas aplicações de resfriamento, como eletrônicos. No entanto, fabricá-los a partir de lingotes está associado a altos custos e gera muito desperdício de material. Além disso, o desempenho dos dispositivos permanece limitado.
A equipe é liderada pela Professora Verbund de Ciências da Energia e Chefe do Laboratório Termoelétrico Werner Siemens Maria Ibáñez, com o primeiro autor e pós-doutorado Shengduo Xu na ISTA. “Nossa integração inovadora de impressão 3D na fabricação de resfriadores termoelétricos melhora muito a eficiência da fabricação e reduz custos”, disse Xu.
Em contraste com tentativas anteriores de impressão 3D de materiais termoelétricos, o método atual supostamente produz materiais com desempenho consideravelmente maior. “Com desempenho de nível comercial, nosso trabalho tem o potencial de se estender além da academia, mantendo relevância prática e atraindo o interesse de indústrias que buscam aplicações no mundo real”, disse o professor Ibáñez.
Tecnologias termoelétricas
Os atuais resfriadores termoelétricos de última geração são produzidos usando técnicas de fabricação baseadas em lingotes — procedimentos caros e que consomem muita energia, exigindo extensos processos de usinagem após a produção, onde muito material é desperdiçado.
“Com nosso trabalho atual, podemos imprimir em 3D exatamente o formato necessário de materiais termoelétricos. Além disso, os dispositivos resultantes exibem um efeito de resfriamento líquido de 50 graus no ar. Isso significa que nossos materiais impressos em 3D têm desempenho semelhante àqueles que são significativamente mais caros de fabricar”, disse Xu. Assim, a equipe de cientistas de materiais da ISTA propôs um método de produção escalável e econômico para materiais termoelétricos – contornando etapas que consomem muita energia e tempo.
Ligação de partículas otimizada
Além de aplicar técnicas de impressão 3D para produzir materiais termoelétricos, a equipe projetou as tintas para que, à medida que o solvente transportador evapora, ligações atômicas eficazes e robustas sejam formadas entre os grãos – criando uma rede de materiais atomicamente conectada. Como resultado, as ligações químicas interfaciais melhoram a transferência de carga entre os grãos. Isso explica como a equipe conseguiu melhorar o desempenho termoelétrico de seus materiais impressos em 3D, ao mesmo tempo em que lançou nova luz sobre as propriedades de transporte de materiais porosos.
“Empregamos uma técnica de impressão 3D baseada em extrusão e projetamos a formulação da tinta para garantir a integridade da estrutura impressa e aumentar a ligação das partículas. Isso nos permitiu produzir os primeiros resfriadores termoelétricos a partir de materiais impressos com desempenho comparável a dispositivos baseados em lingotes, economizando material e energia”, disse Ibáñez.
Aplicações
Além do gerenciamento rápido de calor em eletrônicos e dispositivos vestíveis, os coolers termoelétricos podem ter aplicações médicas, incluindo tratamento de queimaduras e alívio de tensão muscular. Além disso, o método de formulação de tinta desenvolvido pela equipe de cientistas do ISTA pode ser adaptado para outros materiais a serem usados em geradores termoelétricos de alta temperatura – dispositivos que podem gerar voltagem elétrica a partir de uma diferença de temperatura. De acordo com a equipe, tal abordagem pode ampliar a aplicabilidade dos geradores termoelétricos em vários sistemas de coleta de energia residual.
“Executamos com sucesso uma abordagem de ciclo completo, desde a otimização do desempenho termoelétrico das matérias-primas até a fabricação de um produto final estável e de alto desempenho”, disse Ibáñez.
“Nosso trabalho oferece uma solução transformadora para a produção de dispositivos termoelétricos e anuncia uma nova era de tecnologias termoelétricas eficientes e sustentáveis”, disse Xu. Para saber mais sobre a tecnologia acesse o site.
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