1 Introdução: Importância da condutividade térmica nos nanomateriais
Os nanomateriais são parte integrante das tecnologias-chave modernas. São utilizados em áreas como a nanoelectrónica, a tecnologia das pilhas, a tecnologia médica e a indústria energética. As suas propriedades físicas excepcionais permitem aplicações que não poderiam ser realizadas com materiais convencionais.
Uma propriedade particularmente notável dos nanomateriais é a sua condutividade térmica , que frequentemente se comporta de forma diferente da dos materiais a granel devido às suas reduzidas dimensões espaciais. Isto abre novas áreas de aplicação, como o aumento da eficiência dos sistemas de gestão térmica, materiais termoeléctricos e isolamento térmico de componentes de elevado desempenho.
Devido aos pequenos volumes de amostra, à estrutura frequentemente heterogénea dos materiais e aos efeitos especiais das interfaces, os métodos convencionais de medição das propriedades térmicas nem sempre são aplicáveis e representam um desafio particular. Assim, os materiais constantemente novos requerem um progresso simultâneo nas técnicas de medição, de modo a obter dados fiáveis, reprodutíveis e relevantes para a aplicação.
2. Noções básicas de tecnologia de medição para nanomateriais
2.1. Métodos clássicos e suas limitações
Na ciência dos materiais, existem vários métodos estabelecidos para medir a difusividade térmica. O
método de flash laser (LFA)
por exemplo, é amplamente utilizado e fornece resultados rápidos. A parte inferior de uma amostra é aquecida por um curto impulso de laser e a distribuição de temperatura resultante na parte superior é registada ao longo do tempo. Este método fornece informações sobre a difusividade térmica.
Este método é adequado para amostras compactas, mas atinge os seus limites com materiais nanoestruturados, uma vez que o tempo de deteção do aumento de temperatura retardado no tempo representa um desafio metrológico mesmo com materiais isolantes devido à pequena espessura da amostra.
Outro método é o método do dispositivo de placa, que utiliza uma fonte de calor estacionária para determinar o fluxo de calor dentro de uma amostra. No entanto, requer uma grande espessura da amostra para excluir influências interfaciais. Este método também não é adequado para nanomateriais. Igualmente problemáticos são os métodos do fio quente e do disco quente, em que uma fonte de calor está em contacto direto com a amostra, o que pode conduzir a erros de medição devido à resistência de contacto.
2.2. Desafios na medição de nanomateriais
A caraterização da condutividade térmica dos nanomateriais requer métodos que possam lidar com quantidades de amostras extremamente pequenas. Os desafios particulares são
- Pequenos volumes de amostras que requerem métodos de medição precisos e não destrutivos
- Estruturas heterogéneas de materiais que podem conduzir a propriedades anisotrópicas de condução de calor
- Resistências de contacto que podem falsificar os valores medidos quando os sensores são aplicados diretamente na amostra
3. Áreas de aplicação da medição da condutividade térmica para nanomateriais
3.1. Microeletrónica e materiais de alto desempenho
Os nanomateriais revolucionaram a indústria eletrónica, especialmente no domínio da microeletrónica, que permite agora novas possibilidades de aumento de escala e continua a cumprir a Lei de Moore. No entanto, a miniaturização dos componentes electrónicos não traz apenas vantagens, pois exige soluções de gestão térmica mais eficientes, uma vez que as elevadas densidades de potência conduzem frequentemente a problemas de sobreaquecimento.
Os nanotubos de carbono (CNT) e as nanofolhas de grafeno, que estão a ser cada vez mais utilizados para a gestão térmica em microprocessadores, componentes semicondutores e materiais de interface térmica, representam uma solução promissora.
Estes materiais permitem uma dissipação mais rápida do calor e evitam danos térmicos em componentes sensíveis. Os estudos mostram que a utilização orientada de nanomateriais pode melhorar significativamente a vida útil e o desempenho da eletrónica de alto desempenho.
3.2. Materiais termoeléctricos
Geradores termoeléctricos ( TEG ) convertem o calor diretamente em energia eléctrica e estão a tornar-se cada vez mais importantes, nomeadamente na utilização do calor residual de processos industriais ou no sector automóvel.
Os materiais nanoestruturados, como o telureto de bismuto (Bi₂Te₃), apresentam propriedades termoeléctricas melhoradas, uma vez que a sua superfície nanoestruturada interrompe o transporte de fões e reduz a condutividade térmica, mantendo a condutividade eléctrica. Isto aumenta significativamente a eficiência dos materiais termoeléctricos, tornando-os mais atraentes para aplicações de energia sustentável.
3.3. Nanofluidos na transferência de calor
Os nanofluidos, ou seja, líquidos misturados com nanopartículas, são utilizados para melhorar a transferência de calor em sistemas de refrigeração. Ao aumentar a condutividade térmica e a capacidade térmica dos líquidos de arrefecimento, os nanofluidos permitem uma dissipação de calor mais eficiente em permutadores de calor, colectores solares e sistemas de arrefecimento de motores.
As nanopartículas de óxido de metal, como o óxido de alumínio (Al₂O₃) ou o óxido de cobre (CuO), provaram ser particularmente eficazes, uma vez que podem aumentar significativamente a condutividade térmica dos refrigerantes convencionais.
3.4. Construção e eficiência energética
Os nanomateriais também desempenham um papel importante no sector da construção. São utilizados para desenvolver materiais de construção eficientes do ponto de vista energético que regulam a transferência de calor e, assim, ajudam a reduzir o consumo de energia nos edifícios.
As nanopartículas em materiais isolantes melhoram as propriedades isolantes do betão e do vidro, enquanto os nanorrevestimentos reflectores em janelas podem reduzir os custos de arrefecimento em climas quentes.
3.5. Aplicações médicas
Na biomedicina, os nanomateriais são utilizados para a aplicação orientada do calor, por exemplo, na terapia de hipertermia para o tratamento do cancro. Neste caso, as nanopartículas magnéticas são introduzidas no tecido tumoral e aquecidas por um campo magnético, de modo a destruir seletivamente as células cancerígenas.
A medição precisa da condutividade térmica destes materiais é crucial para garantir que a propagação do calor é limitada ao tecido tumoral sem danificar o tecido saudável circundante.
4. estudos de caso - exemplos práticos da aplicação
As medições efectuadas em nanotubos de carbono (CNT) mostraram que a sua condutividade térmica varia consideravelmente em função da dispersão e da orientação das partículas.
Os investigadores descobriram que uma melhor distribuição das partículas pode aumentar a condutividade térmica até 50%.
Outro exemplo são os nanocompósitos à base de grafeno na microeletrónica, que foram optimizados através de uma caraterização térmica precisa.
5. perspectivas futuras - novos desenvolvimentos na tecnologia de medição
Os desenvolvimentos futuros centrar-se-ão em
- Métodos de medição sem contacto, como a termometria Raman
- Análises apoiadas por IA para avaliar eficientemente grandes conjuntos de dados
- Sensores miniaturizados que detectam com precisão as propriedades térmicas à nanoescala
6 Conclusão - A importância de medições precisas da condutividade térmica
A condutividade térmica é um fator crítico na ciência dos materiais. No futuro, a combinação de IA, tecnologia de sensores sem contacto e avaliação de dados de alta precisão abrirá novas possibilidades para a caraterização e otimização de nanomateriais.
Referências
- Universidade de Basileia: Melhor condutividade térmica graças a um arranjo atómico modificado
https://www.unibas.ch/de/Aktuell/News/Uni-Research/Bessere-Waermeleitfaehigkeit-dank-geaenderter-Atomanordnung.html - Ministério do Ambiente e da Defesa do Consumidor do Estado da Baviera: Materiais termoeléctricos
https://www.nanowissen.bayern.de/forschung/umweltnanotech/doc/p07_bericht_160921.pdf - KI-Portal: Nanofluidos para uma melhor transferência de calor
https://www.ki-portal.de/wp-content/uploads/featured_image/030_nikolaus_wissen.pdf
