Novo Microscópio Rastreia o Fluxo de Calor em Nanoescala para Tecnologias Mais Verdes

Um grupo de cientistas da DTU, Technion e da Universidade de Antuérpia revelou um novo tipo de microscópio projetado para capturar a difusividade térmica. O dispositivo pode permitir que engenheiros obtenham uma compreensão mais profunda de como os elétrons transferem calor através de materiais específicos, abrindo caminho para componentes de alto desempenho em diversos setores. Veja o que você precisa saber.

Entendendo a Difusividade Térmica em Materiais

As capacidades de difusão térmica de um item dependem amplamente de sua composição e estrutura. Poder determinar essas propriedades é um aspecto central para projetar dispositivos confiáveis e seguros. Isso pode exigir o monitoramento de aspectos‑chave como relações de dispersão eletrônica, massa atômica, força de ligação, concentração de carga e mobilidade, que desempenham papéis essenciais na equação. Além disso, ao falar de superfícies em nanoescala, o tamanho dos grãos cristalinos, sua forma e as fronteiras de grão (GBs) devem ser examinados.

Como o Fluxo de Calor Difere Conforme a Estrutura do Material

Ao analisar todos os fatores necessários para prever com precisão a difusão de calor, há duas questões principais a considerar. O item apresenta fluxo de calor uniforme, ou seja, o item aumentará de temperatura em toda a sua superfície, ou o fluxo é não uniforme? Este último caso significa que a difusividade térmica pode variar conforme a direção do fluxo ao longo das orientações cristalográficas. Esse tipo de material oferece oportunidades únicas para engenheiros que podem utilizar o fluxo de calor direcional para melhorar o desempenho do produto.

Desafios na Medição do Fluxo de Calor Anisotrópico

Existem alguns problemas ao monitorar a difusão de calor. Até o momento, não há uma forma confiável de determinar com precisão o tensor de difusividade térmica anisotrópica em estruturas de sistemas policristalinos. Essa questão reflete a compreensão limitada dos cientistas sobre esse fenômeno em nanoescala. Além disso, os métodos atuais são pouco confiáveis e podem ser destrutivos para as amostras. Essa situação resulta em menor precisão, além de uma configuração lenta. Felizmente, isso está prestes a mudar.

Dentro do Estudo por Trás do Microscópio de Difusividade Térmica

Uma equipe internacional de engenheiros uniu forças para enfrentar esse problema. O estudo¹ “Microscópio de difusividade térmica: Aproximando o transporte de calor anisotrópico“, publicado na Science Advances, apresenta um método inovador para registrar de forma confiável medições locais de alta resolução da difusividade térmica anisotrópica. Sua invenção, o microscópio de difusividade térmica, tem o potencial de abrir portas para um novo nível de engenharia e ciência dos materiais.

Fonte – DTU

O que é o Microscópio de Difusividade Térmica?

O conceito do microscópio de difusividade térmica empresta ideias do sistema automatizado CAPRES microRSP e as combina com aprimoramentos que aumentam as capacidades de medição do fluxo de calor. O novo dispositivo possui uma sonda proprietária de quatro pontos que fornece medições mais rápidas e precisas.

Configuração Rápida e Design sem Calibração

A equipe observou que o dispositivo pode ser configurado e não requer calibração entre cada leitura. Além disso, a amostra necessita de preparação mínima, reduzindo a carga de trabalho e a chance de contaminação. Notavelmente, o sistema fornece medições precisas de difusividade térmica anisotrópica utilizando dados coletados de um relé térmico localizado em um único aquecedor.

Incorporando os Efeitos do Cold Finger em Estudos de Calor

Outro problema que os engenheiros abordaram foram os efeitos do “cold finger”. Um cold finger refere‑se a um instrumento de laboratório que se assemelha a um cilindro de metal. Ele é projetado para baixar a temperatura de itens e auxiliar em processos como destilação. É comumente usado, mas seus efeitos nunca foram integrados a um estudo de difusão térmica até agora.

Testando o Microscópio com Materiais Reais

A equipe realizou vários experimentos para testar suas teorias. Selecionaram dois materiais conhecidos por suas capacidades térmicas – Bi2Te3 (telureto de bismuto) e Sb2Te3 (telureto de antimônio). Ambos oferecem alta condutividade e propriedades térmicas que os tornam ideais para uso em nanoescala. Além disso, esses materiais possuem uma estrutura cristalina em camadas romboédrica empilhada por fracas forças de van der Waals ao longo do eixo c, ampliando suas propriedades de transporte anisotrópico.
Para começar, as amostras foram aquecidas antes que os engenheiros mapeassem aleatoriamente uma seção de 300 μm × 400 μm com passo de 5 μm. Essa micrografia óptica mostrou detalhes importantes como os grãos e a orientação das sondas. Isso ajudou os engenheiros a observar mudanças na difusividade térmica com base na orientação dos grãos.

Principais Descobertas dos Testes do Microscópio de Difusividade Térmica

Os testes do microscópio de difusividade térmica revelaram que os engenheiros estavam corretos em seus modelos. O dispositivo forneceu com sucesso medições de alta resolução em nanoescala. As medições permitiram que os engenheiros observassem o fluxo de calor em tempo real, possibilitando determinar fatores‑chave sobre os materiais testados, incluindo como a contribuição da rede cristalina era crítica para o transporte de calor em ambas as direções.

Benefícios do Microscópio de Difusividade Térmica para Engenheiros

Existe uma longa lista de benefícios que o microscópio de difusividade térmica traz ao mercado. Em primeiro lugar, ele ajudará engenheiros a criar dispositivos eletrônicos e sistemas de energia mais poderosos e seguros. Eles podem testar novos materiais em nanoescala e ver exatamente quando e onde ocorre o ponto de falha.

Configuração Amigável e Não Destrutiva

O sistema do microscópio de difusividade térmica requer muito menos trabalho que os métodos anteriores. Não há necessidade de preparar as amostras, o que era um processo demorado e preciso que frequentemente resultava em danos às amostras. A equipe observou que pôde obter medições detalhadas e mapeadas em menos de um minuto.

Aplicações no Mundo Real e Cronograma de Lançamento

A lista de aplicações para esta tecnologia é quase infinita. A difusividade térmica está no cerne da maioria dos desenvolvimentos de alta tecnologia. Tudo, desde seu computador pessoal até espaçonaves, requer sistemas de gerenciamento de calor. Este dispositivo permitirá que engenheiros criem revestimentos térmicos, eletrônicos e dispositivos termelétricos mais capazes e poderosos. Aqui estão algumas das principais aplicações para esta tecnologia.

Computadores Mais Rápidos

O microscópio de difusividade térmica ajudará a fabricar computadores melhores. Seu dispositivo tem desempenho reduzido quando exposto a níveis prolongados de calor. Manter PCs mais frios permitirá que engenheiros criem dispositivos mais poderosos e menores.

Painéis Solares

Outro setor onde essa tecnologia pode se destacar é a indústria solar. Qualquer dispositivo que precise capturar raios solares deve ter excelente difusividade térmica. Os engenheiros poderão levar os limites dessa tecnologia a novos patamares, criando opções mais eficientes termicamente e que operam mais frias, reduzindo a perda de energia não intencional por má gestão do calor.

Cronograma do Microscópio de Difusividade Térmica

O microscópio de difusividade térmica está operacional. No entanto, pode levar alguns anos até que este dispositivo chegue aos clientes comerciais. Por enquanto, o dispositivo passará por muito mais experimentação e testes. Nos próximos 3‑5 anos, a unidade poderá ser comercializada e se tornar uma ferramenta poderosa para fabricantes, profissionais de segurança e engenheiros.

Pesquisadores do Microscópio de Difusividade Térmica

O estudo do microscópio de difusividade térmica foi um esforço colaborativo de engenheiros da DTU, Technion e da Universidade de Antuérpia. O artigo lista Neetu Lamba, Braulio Beltrán‑Pitarch, Tianbo Yu, Dirch Hjorth Petersen, Muhamed Dawod, Alex Berner, Benny Guralnik, Andrey Orekhov, Nicolas Gauquelin, Yaron Amouyal, Johan Verbeeck, Ole Hansen e Nini Pryds como autores contribuidores. O estudo recebeu apoio financeiro de diversas bolsas, incluindo a bolsa Independent Research Fund Denmark, a bolsa Innovation Fund Denmark, a bolsa de viagem EliteForsk e muitas outras.

Próximos Passos para o Microscópio de Difusividade Térmica

O futuro do microscópio de difusividade térmica está movimentado. Essa tecnologia pode ser implementada em vários setores e terá impacto direto em tudo, desde seu smartwatch até o próximo veículo elétrico. Essa pesquisa pode abrir portas para que engenheiros obtenham uma compreensão mais profunda das propriedades térmicas e expandam a ciência dos materiais.

Investindo no Mercado de Revestimentos Térmicos por Spray

Existem muitas empresas na indústria de revestimentos térmicos que podem se beneficiar desta pesquisa. Notavelmente, o mercado deve alcançar US$ 20,83 bilhões até 2030, impulsionando a demanda por inovação e produtos aprimorados. Aqui está uma empresa que continua a atrair a atenção de investidores devido aos seus produtos e modelo de negócios.

Applied Materials

Applied Materials (AMAT ) é uma empresa de fabricação de wafers baseada em Santa Clara, Califórnia. A empresa foi fundada em 1967 por Michael A. McNeilly, Herbert Dwight Jr., Walter Benzing e James Bagley. Seu objetivo era fornecer sistemas confiáveis de deposição química de vapor (CVD) especificamente projetados para a fabricação de wafers semicondutores.
Desde seu lançamento, a Applied Materials cresceu e se tornou a maior fabricante mundial de equipamentos para semicondutores. Em 1993, a empresa foi a primeira a alcançar US$ 1 bilhão em receita anual na indústria de wafers. Hoje, a empresa opera em vários setores avançados, oferecendo um portfólio abrangente de sistemas de processamento térmico rápido (RTP) e de recozimento no mercado.