As potencialidades dos ímãs 2D para aplicações termoelétricas

Os sistemas termoelétricos são uma forma verde e sustentável de extrair energia de qualquer forma de calor que de outra forma seria desperdiçada. No centro deste processo de conversão de energia está o chamado efeito Seebeck, que descreve a tensão acumulada em um material exposto a uma diferença de temperatura.

No entanto, apesar de mais de 100 anos de intensa pesquisa, as eficiências termoelétricas ainda são inferiores às dos motores térmicos convencionais, tornando a termoelétrica adequada apenas para aplicações de nicho.

É por isso que um dos principais esforços dos cientistas hoje é encontrar novas estratégias para melhorar esta eficiência. Nosso último artigo “Impacto da entropia de spin nas propriedades termoelétricas de um ímã 2D”, publicado em Nano-letrasdemonstra que uma solução poderia estar em circuitos baseados em camadas magnéticas bidimensionais (2D).

Ajustando a entropia em ímãs

As propriedades termoelétricas são significativamente influenciadas pela entropia, que quantifica a desordem em um sistema. Portanto, todos os mecanismos que aumentem tais parâmetros podem melhorar a eficiência de conversão do dispositivo de captação de energia.

Em materiais magnéticos 2D, dois fatores adicionais podem alterar a entropia: a ordem magnética, gerando uma contribuição de “spin-entropia”, e o número de camadas que um portador de carga pode acessar em um material em camadas 2D, o que produz uma “entropia de camada” adicional. “

Em nosso artigo, as propriedades de transporte elétrico e termoelétrico do antiferromagneto 2D CrSBr são medidas, ao mesmo tempo em que altera a ordem magnética do material, variando a temperatura da amostra ou aplicando um campo magnético externo. O estudo relata que a resposta termoelétrica aumenta com a temperatura à medida que os elétrons e os spins se mobilizam, atingindo um máximo local em torno da temperatura de transição de fase magnética Néel.

Além disso, é demonstrado que um campo magnético pode aumentar o fator de potência termoelétrica em até 600% em baixas temperaturas. Esses fenômenos são explicados pela interação das diferentes contribuições de entropia no material e destacam o forte impacto que a ordem magnética tem na resposta termoelétrica dos ímãs 2D.

Rumo a coletores de energia inovadores

Os resultados que relatamos demonstram como o uso de ímãs pode superar os limites dos dispositivos convencionais de coleta de energia, já que suas propriedades termoelétricas podem ser otimizadas alterando a fase magnética e, portanto, ajustando o impacto da spin-entropia.

Além disso, o uso de materiais 2D abre graus adicionais de liberdade, como a possibilidade de ajustar a temperatura de transição por meio de múltiplos fatores – ou seja, espessura do filme, composição, controle eletrostático – o que poderia permitir maximizar seu desempenho termoelétrico à temperatura ambiente. Todas essas descobertas representam o primeiro alicerce de uma nova maneira de projetar coletores de energia mais eficientes.

Esta história faz parte do Science X Dialog, onde os pesquisadores podem relatar as descobertas de seus artigos de pesquisa publicados. Visite esta página para obter informações sobre o Science X Dialog e como participar.

Alessandra Canetta é estudante do terceiro ano de doutorado na UCLouvain (Bélgica), sob orientação do Prof. Pascal Gehring. O projeto de doutorado de Canetta concentra-se na investigação das propriedades térmicas e termoelétricas de materiais 2D, em particular ímãs 2D.