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Uma equipe internacional de pesquisadores, liderada pela Drexel University, descobriu que uma fina camada de MXene – um tipo de nanomaterial bidimensional descoberto e estudado na Drexel por mais de uma década – pode aumentar a capacidade de um material de reter ou liberar calor . A descoberta, que está ligada à capacidade do MXene de regular a passagem da radiação infravermelha ambiente, pode levar a avanços em roupas térmicas, elementos de aquecimento e novos materiais para aquecimento e resfriamento radiativos.
O grupo, incluindo pesquisadores de ciência de materiais e optoeletrônica da Drexel e cientistas computacionais da Universidade da Pensilvânia, apresentou recentemente sua descoberta sobre os recursos radiativos de aquecimento e resfriamento associados ao MXene em um artigo intitulado “Versatilidade das propriedades infravermelhas do MXene” na Elsevier Diário Materiais Hoje.
“Esta pesquisa revela ainda outra faceta da versatilidade dos materiais MXene”, disse Yury Gogotsi, PhD, Distinguished University e professor titular de Bach na Faculdade de Engenharia de Drexel, que liderou a pesquisa. “Os revestimentos MXene que possuem habilidades excepcionais para conter ou emitir radiação infravermelha, enquanto permanecem extremamente finos – 200-300 vezes mais finos que um fio de cabelo humano – leves e flexíveis, podem encontrar aplicações tanto no gerenciamento térmico localizado quanto no aquecimento e resfriamento radiativo em larga escala Existem vantagens significativas com o aquecimento e resfriamento por infravermelho passivo em relação aos ativos tradicionais, que requerem energia elétrica para funcionar.”
Os MXenes são uma família de nanomateriais bidimensionais descobertos originalmente por pesquisadores da Drexel em 2011, que – devido à sua composição e estrutura bidimensional – provaram progressivamente serem excepcionais na condução de eletricidade, armazenamento de energia elétrica, filtragem de compostos químicos e bloqueio radiação eletromagnética, entre outras capacidades. Ao longo dos anos, cientistas de materiais produziram e investigaram extensivamente MXenes com várias composições químicas, resultando na descoberta de inúmeras aplicações.
Em seu artigo recente, a equipe mediu a capacidade de 10 composições diferentes de MXene para ajudar ou impedir a passagem da radiação infravermelha – uma medida chamada “emissividade” – que se correlaciona com sua capacidade de capturar ou dissipar passivamente o calor ambiente.
“Sabíamos de pesquisas anteriores que os MXenes são mais do que capazes de refletir ou absorver ondas de rádio e radiação de micro-ondas, então observar sua interação com a radiação infravermelha, que tem um comprimento de onda muito mais curto, foi o próximo passo”, disse Danzhen Zhang, um co -pesquisador de doutorado no laboratório de Gogotsi e coautor do artigo. “A vantagem de poder controlar a passagem da radiação infravermelha é que podemos usar esse tipo de radiação para aquecimento passivo – se pudermos contê-la – ou resfriamento passivo – se pudermos dissipá-la. Os MXenes que testamos mostraram que eles podem fazer as duas coisas, dependendo de sua composição elementar e do número de camadas atômicas.”
Em comparação com os materiais de resfriamento passivo disponíveis no mercado hoje, que permitem que a radiação infravermelha térmica do corpo – o calor do corpo – escape por meio de sua composição têxtil leve e porosa, os tecidos revestidos com MXene podem se sair ainda melhor, de acordo com Tetiana Hryhorchuk, pesquisador de doutorado no laboratório de Gogotsi e coautor da pesquisa, porque esses tecidos revestidos têm a capacidade adicional de refletir a radiação infravermelha externa, para evitar o aquecimento da luz solar, além de permitir que a radiação infravermelha, emitida pelo corpo, passar.
Os pesquisadores descobriram que os MXenes de carboneto de nióbio poderiam efetivamente dissipar o calor, enquanto o carboneto de titânio exibia proteção térmica excepcional, com sua temperatura subindo apenas para 43 graus Celsius após ser aquecido por cinco minutos em uma placa de aquecimento de 110 graus.
“Alta emissividade como no carboneto de nióbio também é possível em materiais dielétricos”, disse Gogotsi. “No entanto, os MXenes combinam essa capacidade com a condutividade elétrica, o que significa que esses MXenes também podem ser usados como elementos de aquecimento elétrico ativo com o fornecimento de energia externa”.
Verificou-se que um revestimento de carboneto de titânio MXene fortalece os materiais contra a penetração e emissão de radiação infravermelha. Nos testes, os materiais revestidos com MXene, mesmo com um revestimento fino, tiveram melhor desempenho na proteção contra a radiação infravermelha do que os metais polidos, que são atualmente os materiais comerciais de melhor desempenho. Isso significa que os MXenes podem ser integrados em roupas leves que mantêm o usuário aquecido em ambientes extremos.
Para testá-lo, a equipe tingiu uma camiseta de algodão com uma solução de carboneto de titânio MXene e usou uma câmera térmica infravermelha para monitorar a temperatura de uma pessoa que a usasse. Os resultados mostraram que a camisa revestida com MXene manteve seu usuário cerca de 10 a 15 graus Celsius mais frio – cerca da temperatura ambiente – do que uma pessoa vestindo uma camiseta normal.
Esses resultados sugerem que as vestimentas revestidas com MXene são eficazes na manutenção da temperatura corporal, ao mesmo tempo em que oferecem a vantagem de serem aplicadas por meio de um processo comparativamente mais fácil de revestimento por imersão do que a maioria das roupas térmicas exige.
“Roupas térmicas comerciais usam fibras de polímero muito finas com baixa condutividade térmica – lã, por exemplo”, disse Lingyi Bi, pesquisador de doutorado no laboratório de Gogotsi, especializado em têxteis. “Eles nos mantêm aquecidos minimizando a transferência de calor através do tecido, para fazer isso de forma eficaz, eles devem ser muito grossos. Mas o MXene nos mantém aquecidos principalmente impedindo a fuga do calor do corpo como radiação infravermelha. Portanto, um revestimento MXene mais fino que a seda poderia fornecem aquecimento eficaz. Este é o mesmo princípio usado em cobertores térmicos de Mylar que os corredores recebem após uma corrida em clima frio.”
Gogotsi sugere que a capacidade de bloqueio de IR também pode ser usada para camuflar pessoas e equipamentos de dispositivos de detecção térmica ou para transmitir informações secretamente por meio de códigos de identificação por radiofrequência visíveis apenas para leitores infravermelhos.
A equipe planeja continuar estudando os mecanismos subjacentes ao bloqueio IR do MXene e ao comportamento de emissão, bem como testar MXenes com diferentes composições químicas para otimizar seu potencial como materiais radiativos de aquecimento e resfriamento.
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