O gerenciamento rápido e localizado de calor é essencial para dispositivos eletrônicos e pode ter aplicativos que variam de materiais vestíveis a tratamento de queimaduras. Enquanto os chamados materiais termoelétricos convertem diferenças de temperatura em tensão elétrica e vice-versa, sua eficiência é frequentemente limitada e sua produção é dispendiosa e desperdiçada. Em um novo artigo publicado em CiênciaPesquisadores do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA) usaram uma técnica de impressão 3D para fabricar materiais termoelétricos de alto desempenho, reduzindo significativamente os custos de produção.
Os refrigeradores termoelétricos, também chamados de geladeiras de estado sólido, podem induzir o resfriamento localizado usando uma corrente elétrica para transferir o calor de um lado do dispositivo para outro. Suas longas vidas, invulnerabilidade para vazamentos, tamanho e ajuste de forma e a falta de partes móveis (como líquidos circulantes) tornam esses dispositivos ideais para diversas aplicações de refrigeração, como eletrônicos. No entanto, fabricá -los para fora dos lingotes está associado a altos custos e gera muito desperdício de materials. Além disso, o desempenho dos dispositivos permanece limitado.
Agora, uma equipe do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA), liderada por Professor Verbund para Ciências da Energia e Chefe do Laboratório Termoelétrico Werner Siemens Maria Ibáñez, com o primeiro autor e Ista PostDoc Shengduo Xu, desenvolveu materiais termoelétricos de alto desempenho fora da impressora 3D e os usou para construir um refrigerador termoelétrico. “Nossa integração inovadora da impressão 3D na fabricação de refrigeradores termoelétricos melhora bastante a eficiência da fabricação e reduz os custos”, diz Xu. Além disso, ao contrário das tentativas anteriores de impressão 3D de materiais termoelétricos, o presente método produz materiais com desempenho consideravelmente mais alto. O professor Ista Ibáñez acrescenta: “Com desempenho em nível comercial, nosso trabalho tem o potencial de se estender além da academia, mantendo relevância prática e atraindo interesse de indústrias que buscam aplicativos do mundo actual”.
Empurrando os limites das tecnologias termoelétricas
Embora todos os materiais demonstrem algum efeito termoelétrico, muitas vezes é insignificante muito útil. Os materiais que exibem um efeito termoelétrico alto o suficiente são geralmente os chamados “semicondutores degenerados”, ou seja, semicondutores “dopados”, aos quais as impurezas são introduzidas intencionalmente para que se comportem como condutores. Os atuais refrigeradores termoelétricos de última geração são produzidos usando técnicas de fabricação baseadas em lingote-procedimentos caros e famintos por energia que exigem extensos processos de usinagem após a produção, onde muito materials é desperdiçado. “Com nosso trabalho atual, podemos imprimir exatamente a forma necessária dos materiais termoelétricos. Além disso, os dispositivos resultantes exibem um efeito de resfriamento de 50 graus no ar. Isso significa que nossos materiais impressos em 3D têm desempenho semelhante aos que são significativamente mais caro para fabricar “, diz Xu. Assim, a equipe de cientistas de materiais ISTA propõe um método de produção escalável e econômico para materiais termoelétricos, contornando etapas intensivas em energia e demoradas.
Materiais impressos com ligação de partículas otimizadas
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 são formadas entre grãos, criando uma rede de materials conectada atomicamente. Como resultado, as ligações químicas interfaciais melhoram a transferência de carga entre os grãos. Isso explica como a equipe conseguiu aprimorar o desempenho termoelétrico de seus materiais impressos em 3D, além de lançar uma nova luz sobre as propriedades de transporte de materiais porosos. “Empregamos uma técnica de impressão 3D baseada em extrusão e projetamos a formulação de tinta para garantir a integridade da estrutura impressa e aumentar a ligação de partículas. Isso nos permitiu produzir os primeiros refrigeradores termoelétricos de materiais impressos com desempenho comparável a dispositivos baseados em lingote, enquanto economizam Materials e energia “, diz Ibáñez.
Aplicações médicas, colheita de energia e sustentabilidade
Além do rápido gerenciamento de calor em eletrônicos e dispositivos vestíveis, os resfriadores termoelétricos podem ter aplicações médicas, incluindo tratamento de queimadura e alívio de tensão muscular. Além disso, o método de formulação de tinta desenvolvido pela equipe de cientistas do ISTA pode ser adaptado para que outros materiais sejam usados em geradores termoelétricos de alta temperatura-dispositivos que podem gerar tensão elétrica a partir de uma diferença de temperatura. Segundo a equipe, essa abordagem pode ampliar a aplicabilidade de geradores termoelétricos em vários sistemas de colheita de energia residual.
“Executamos com sucesso uma abordagem de ciclo completo, desde otimizando o desempenho termoelétrico das matérias-primas até a fabricação de um produto ultimate estável e de alto desempenho”, diz Ibáñez. Xu acrescenta: “Nosso trabalho oferece uma solução transformadora para a produção de dispositivos termoelétricos e anuncia uma nova period de tecnologias termoelétricas eficientes e sustentáveis”.
