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Pesquisadores da UCLA e seus colegas descobriram um novo princípio físico que governa como o calor se transfere através dos materiais, e a descoberta contradiz a sabedoria convencional de que o calor sempre se move mais rápido à medida que a pressão aumenta.
Até agora, a crença comum se manteve verdadeira em observações registradas e experimentos científicos envolvendo diferentes materiais, como gases, líquidos e sólidos.
Os pesquisadores detalharam sua descoberta em um estudo publicado na semana passada pela Natureza. Eles descobriram que o arsenieto de boro, que já foi visto como um material altamente promissor para gerenciamento de calor e eletrônica avançada, também possui uma propriedade única. Depois de atingir uma pressão extremamente alta, centenas de vezes maior que a pressão encontrada no fundo do oceano, a condutividade térmica do arsenieto de boro começa a diminuir.
Os resultados sugerem que pode haver outros materiais experimentando o mesmo fenômeno em condições extremas. O avanço também pode levar a novos materiais que podem ser desenvolvidos para sistemas de energia inteligentes com “janelas de pressão” integradas, de modo que o sistema só ligue dentro de uma determinada faixa de pressão antes de desligar automaticamente após atingir um ponto de pressão máxima.
“Esta descoberta fundamental da pesquisa mostra que a regra geral da dependência da pressão começa a falhar em condições extremas”, disse o líder do estudo Yongjie Hu, professor associado de engenharia mecânica e aeroespacial na Escola de Engenharia da UCLA Samueli. “Esperamos que este estudo não apenas forneça uma referência para revisar potencialmente a compreensão atual do movimento de calor, mas também possa impactar as previsões de modelagem estabelecidas para condições extremas, como as encontradas no interior da Terra, onde medições diretas não são possíveis”.
De acordo com Hu, o avanço da pesquisa também pode levar à reformulação de técnicas padrão usadas em estudos de ondas de choque.
Semelhante a como uma onda sonora viaja através de um sino, o calor viaja através da maioria dos materiais por meio de vibrações atômicas. À medida que a pressão comprime os átomos dentro de um material, ela permite que o calor se mova mais rapidamente através do material, átomo por átomo, até que sua estrutura se quebre ou se transforme em outra fase.
Esse não é o caso, entretanto, com o arsenieto de boro. A equipe de pesquisa observou que o calor começou a se mover mais lentamente sob pressão extrema, sugerindo uma possível interferência causada por diferentes maneiras pelas quais o calor vibra através da estrutura à medida que a pressão aumenta, semelhante a ondas sobrepostas que se anulam. Tal interferência envolve interações de ordem superior que não podem ser explicadas pelos livros de física.
Os resultados também sugerem que a condutividade térmica dos minerais pode atingir um máximo após uma certa faixa de pressão. “Se aplicável a interiores planetários, isso pode sugerir um mecanismo para uma “janela térmica” interna – uma camada interna dentro do planeta onde os mecanismos de fluxo de calor são diferentes daqueles abaixo e acima dele”, diz a coautora Abby Kavner, professor de ciências terrestres, planetárias e espaciais na UCLA. “Uma camada como esta pode gerar um comportamento dinâmico interessante no interior de grandes planetas.”
Para alcançar o ambiente de pressão extremamente alta para suas demonstrações de transferência de calor, os pesquisadores colocaram e comprimiram um cristal de arsenieto de boro entre dois diamantes em uma câmara controlada. Eles então utilizaram a teoria quântica e várias técnicas avançadas de imagem, incluindo óptica ultrarrápida e medições inelásticas de dispersão de raios-X, para observar e validar o fenômeno anteriormente desconhecido.
Os alunos de pós-graduação em engenharia mecânica Suixuan Li, Zihao Qin, Huan Wu e Man Li, do grupo de pesquisa de Hu, são os co-autores principais do estudo. Outros autores são Kavner, Martin Kunz do Lawrence Berkeley National Laboratory e Ahmet Alatas do Argonne National Laboratory.
O estudo foi financiado pela National Science Foundation, a Alfred P. Sloan Foundation e um VM Watanabe Excellence in Research Award da UCLA Samueli. Alguns experimentos foram conduzidos em duas instalações do Departamento de Energia dos Estados Unidos – a Advanced Photon Source no Argonne National Laboratory e a Advanced Light Source no Lawrence Berkeley National Laboratory. Os serviços computacionais foram fornecidos pelo UCLA Institute for Digital Research and Education e pela National Science Foundation. Os autores também receberam apoio do Nanoelectronics Research Facility e do California NanoSystems Institute (CNSI) da UCLA. Ambos Hu e Kavner são membros do CNSI.
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