Metamateriais permitem controle inédito do calor em nanoescala e revolucionam energia e eletrônica

Pesquisadores das universidades Carnegie Mellon, Stanford e Purdue demonstraram experimentalmente o controle preciso do calor usando metamateriais. O avanço, divulgado pelo portal phys.org, promete transformar o gerenciamento térmico de chips e a conversão de energia.

Em escalas nanométricas, o calor não se dissipa por radiação convencional quando dois objetos estão separados por poucos nanômetros. Ele pode tunelar através de ondas eletromagnéticas, aumentando drasticamente o fluxo de energia entre eles.

Os cientistas conheciam o fenômeno da transferência de calor radiativa de campo próximo, mas nunca haviam conseguido amplificá-lo experimentalmente. Os metamateriais, estruturas artificiais com padrões microscópicos repetitivos, tornaram isso possível.

Os pesquisadores criaram padrões de ouro sobre membranas finas e as posicionaram frente a frente com espaçamento nanométrico. Esse arranjo elevou a transferência de calor em até quatro vezes em comparação com montagens sem metamateriais.

O efeito ocorre pela interação entre as estruturas metálicas e ondas naturais do material, chamadas polaritons de fônon de superfície. Esse acoplamento gera ressonância, aumentando a densidade de estados fotônicos disponíveis para transferência de energia.

O controle preciso do calor é crucial para a eletrônica moderna, onde o superaquecimento de chips representa um dos principais gargalos. A técnica pode levar a dissipadores passivos mais eficientes, permitindo dispositivos menores e mais potentes.

Na área de energia, a descoberta pode aprimorar sistemas termofotovoltaicos, que convertem radiação térmica em eletricidade. Com metamateriais, a transferência de calor mais eficiente pode viabilizar economicamente esses sistemas para geração distribuída.

Sensores infravermelhos também podem se beneficiar de sinais de calor mais fortes e controláveis. Isso melhoraria a detecção em monitoramento ambiental e segurança, embora o trabalho ainda esteja restrito ao laboratório.

Sheng Shen, professor de engenharia mecânica na Carnegie Mellon e autor sênior do estudo, afirmou que projetar o calor com a mesma precisão da eletricidade ou da luz abrirá portas para tecnologias que não apenas resistem ao calor, mas o utilizam de forma inovadora.