El uso de refrigeradores de estado sólido para enfriar electrodomésticos y dispositivos electrónicos es una posible aplicación tecnológica para un estudio teórico realizado en la Universidad de Campinas (UNICAMP) en el estado de São Paulo, Brasil.

Aunque esta aplicación no se considera en el estudio, que se basó en simulaciones por computadora, tales aplicaciones están en el horizonte y podrían ser una alternativa eficiente y ecológica a los refrigeradores de compresión de vapor, que actualmente dominan el mercado y contribuyen al agotamiento del ozono y al calentamiento global.

El estudio, dirigido por Alexandre Fonseca con la participación de su exalumno Tiago Cantuário, formó parte del proyecto "Nanoestructuras de carbono:modelado y simulaciones, "con el apoyo de la Fundación de Investigaciones de São Paulo — FAPESP. Los resultados se publican en un artículo de la revista Annalen der Physik .

"El enfriamiento de estado sólido es un campo de investigación joven con resultados prometedores. El método que investigamos se basa en el llamado efecto elastocalórico (ECE), que hace uso de las variaciones de temperatura en un sistema en respuesta a la tensión mecánica. Realizamos simulaciones por computadora de este efecto en nanotubos de carbono, ", Dijo Fonseca.

En el mundo macroscópico, Se observa un efecto análogo cuando una banda de goma se calienta cuando se estira rápidamente y se enfría de nuevo cuando se suelta. El efecto ocurre si la deformación se aplica al material de modo que no haya transferencia de calor dentro o fuera del sistema, es decir., cuando el proceso es adiabático.

"Comenzamos nuestra investigación a partir de un artículo titulado 'Efecto elastocalórico en nanotubos de carbono y grafeno', publicado en 2016 por Sergey Lisenkov y colaboradores. Describió un estudio de simulación por computadora que muestra que cuando se aplica una pequeña deformación a los nanotubos de carbono, correspondiente hasta el 3% de su longitud inicial, respondieron con una variación de temperatura de hasta 30 ° C, ", Dijo Fonseca.

"En contraste con la investigación de Lisenkov, que simulaba solo una simple deformación y fuerza de compresión aplicada a los nanotubos, reproducimos el proceso computacionalmente para un ciclo termodinámico completo. En nuestra simulación, consideramos dos fases, deformación y liberación de nanotubos, y dos intercambios de calor con dos depósitos externos. Estimamos el calor que extraería el nanotubo si estuviera en contacto ideal con un medio determinado. Obtuvimos un buen resultado para el coeficiente de rendimiento en comparación con los de otros materiales probados experimentalmente ".

El coeficiente de rendimiento se define como el calor extraído por un sistema de una región determinada dividido por la energía gastada para hacerlo. En el caso de un frigorífico doméstico, por ejemplo, muestra la cantidad de calor extraído por el aparato del ambiente interno en proporción a la electricidad consumida. Los mejores refrigeradores domésticos tienen coeficientes de rendimiento del orden de 8, lo que significa que transfieren ocho veces más energía térmica de adentro hacia afuera que la cantidad de electricidad extraída de la red de suministro para realizar el intercambio.

"Simulando el proceso para dos nanotubos diferentes, obtuvimos coeficientes de desempeño de 4.1 y 6.5. Estos son números relativamente buenos en comparación con los de otros fenómenos de intercambio de calor, "Explicó Fonseca.

Otra ventaja se relaciona con la estructura atómica y molecular. "En el caso de determinados materiales, la aplicación de la resistencia a la tracción hace que la muestra cambie de fase modificando su estructura cristalina. En el caso de los nanotubos, el efecto térmico se debe únicamente a la expansión y relajación de la estructura, que no se modifica. Esto es una ventaja porque los cambios de fase hacen que el material pierda gradualmente su capacidad para realizar la función de interés. En el caso de los nanotubos, sin embargo, el proceso no produce ninguna transformación estructural capaz de provocar defectos. Los átomos se separan durante la expansión y vuelven a sus posiciones originales con la relajación. " él dijo.

Nanoescala

Según Fonseca, Las pruebas de rotura han demostrado que los nanotubos de carbono son capaces de estirarse hasta en un 20%. Esta resistencia a la deformación combinada con un alto rendimiento en efectos elastocalóricos hace que los nanotubos de carbono sean materiales interesantes para el desarrollo de la electrónica a nanoescala.

"El problema central de la electrónica es el enfriamiento. Nuestra motivación fue imaginar un dispositivo que pudiera usar un ciclo simple para extraer calor de un aparato. Los nanotubos de carbono resultaron ser muy prometedores, ", dijo." Ellos también tienen otra virtud, que es lo suficientemente pequeño como para estar incrustado en una matriz de polímero, una propiedad deseable en un momento en que los fabricantes están invirtiendo en investigación y desarrollo para obtener dispositivos electrónicos flexibles como teléfonos inteligentes plegables ". Todo esto es parte de un panorama más amplio en el que los refrigeradores de compresión de vapor son reemplazados por refrigeradores de estado sólido en el contexto de cambio climático global.