A termoeletricidade é uma propriedade dos materiais que permite de forma prática gerar corrente elétrica a partir de um gradiente térmico (e vice-versa): ou seja, transformar calor em eletricidade. Geradores baseados em materiais termoelétricos são considerados muito promissores no cenário global de mudanças climáticas, pois poderiam contribuir na geração de energia sem emissões de gases estufa. Já são utilizados em aplicações espaciais desde a década de 70, sendo duráveis e confiáveis. Porém, em 2021, ano que a comunidade comemora o 200º aniversário do descobrimento da termoeletricidade, esta tecnologia ainda não alcançou uso em ampla escala, devido à baixa eficiência (conversão calor/eletricidade) e aos altos custos de fabricação.
O desempenho de um material termoelétrico é definido pelo fator ZT, que classifica a performance do material em traduzir calor em eletricidade. Para ser um bom candidato, o material deve, ao mesmo tempo: ser um bom condutor de corrente, ter bom coeficiente de termoeletricidade, e ser um péssimo condutor de calor. Atingir esta combinação é um grande desafio, pois estas propriedades físicas estão interligadas. Neste sentido, muitos avanços já foram realizados: seja por meio de uma melhor compreensão de como as propriedades físicas de um material são descritas pela natureza quântica dos elétrons e das vibrações dos átomos na rede cristalina e também pela manipulação destes materiais através de preparação de filmes finos e nanoestruturas, por exemplo.
Surgiu um interesse recente em alguns materiais que, em sua forma macroscópica, já apresentam fatores ZT excepcionais, sem precisar recorrer a nano-estruturação. É o caso do monocristal SnSe (Seleneto de Estanho), que apresenta valor recorde de ZT. O desempenho foi atribuído a sua ultrabaixa condutividade térmica (k), que, por sua vez, é gerada por fortes efeitos não-harmônicos na rede cristalina. Vários grupos não conseguiram reproduzir estes resultados, o que gerou grande debate sobre a origem da divergência de evidências.
Recentemente, tivemos acesso a monocristais de SnSe de alta qualidade do mesmo grupo que descobriu o desempenho excepcional e estudamos o transporte térmico e o calor específico de temperatura ambiente (300K) até baixa temperatura (2K). Após uma apropriada preparação das amostras, estudamos como o calor se transmite ao longo de diferentes direções cristalográficas. Os resultados desta investigação foram publicados no artigo “Thermal diffusivity and its lower bound in orthorhombic SnSe” na revista Physical Review B. Nosso estudo experimental confirmou que a condutividade térmica não é tão baixa como inicialmente observado e que é anisotrópica, resolvendo um debate em aberto.*
Estudamos também em detalhe a razão entre condutividade térmica e calor específico, chamada “difusividade” D, que é fundamental para determinar como o calor se transporta ao longo de um certo material. Em particular, encontramos que a difusividade é anisotrópica neste material, ou seja: como o calor se transfere depende da direção de propagação. Outro fato importante observado é que existe empiricamente um limite inferior em D determinado pelo tempo de Planck para cada direção cristalina considerada. Isso pode ter repercussões relevantes também em aplicações onde quer-se manipular (limitar) o fluxo de calor, como é o caso de aplicações termoelétricas.
Estas descobertas despertaram grande interesse teórico a fim de prover uma explicação à origem desta limitação que se manifesta quanticamente em uma região onde esperávamos um comportamento clássico. Também neste sentido, o trabalho inova: nosso trabalho já aponta um papel da anisotropia que não foi considerado no desenvolvimento teórico proposto, abrindo novos e instigantes caminhos de investigação.
* É importante observar que medições acuradas de transporte térmico são complexas e sujeitas a vários erros experimentais, especialmente quando se trata de setup comerciais e em amostras protótipos de tamanho reduzido.
► O trabalho foi realizado no contexto de colaboração internacional e nacional, apoiado por auxílios FAPESP: 2018/19402-3, 2018/08845-3, 2019/26141-6.
Figura: LQMEC, readaptada da Physical Review B.
O Laboratory for Quantum Matter under Extreme Conditions (LQMEC) possui diversos projetos em andamento: estudo de novos fenômenos quânticos na matéria condensada com potencial termoelétrico, preparação de materiais nanoestruturados e com fortes correlações eletrônicas, desenvolvimento de setup avançados para determinação acurada de transporte térmico bulk e em filmes finos. 