Estudo simula uso de nanotubos de carbono em sistema de refrigeração

Trabalho de Iniciação Científica de estudante do IFGW rendeu artigo publicado no periódico alemão Annalen der Phisik

Estudo computacional desenvolvido pelo estudante de graduação em Física Tiago Cantuário estimou o coeficiente de performance (COP) de uma máquina refrigeradora que utiliza nanotubos de carbono como elemento refrigerante. O modelo foi baseado no efeito elastocalórico, fenômeno que produz variação de temperatura de um material apenas pela aplicação de forças externas e deformações sobre ele. O trabalho, realizado no contexto do projeto de Iniciação Científica do autor, foi orientado pelo professor Alexandre Fontes da Fonseca, do Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) da Unicamp.

De acordo com Fonseca, embora os conceitos abordados no estudo sejam relativamente simples, normalmente trabalhados em sala de aula na disciplina de Física 2, os resultados obtidos apresentam aspectos originais. Tanto é assim que a pesquisa rendeu artigo que foi publicado em um dos mais antigos e conhecidos periódicos científicos alemães, o Annalen der Phisik. “A publicação foi um desdobramento importante que não tínhamos inicialmente como objetivo”, observa o docente.

Foto: Scarpa
O professor Alexandre Fonseca, orientador do estudo, acredita que os nanotubos de carbono possam ser integrados como material refrigerante em dispositivos como circuitos eletrônicos e chips

Para entender o estudo conduzido por Tiago, pontua Fonseca, antes é preciso compreender o que é o efeito elastocalórico, descoberto pela ciência no Século 19. “O material que ajudou a decifrar esse fenômeno foi a borracha. Constatou-se que, quando a borracha é esticada rapidamente, ela sofre um leve aquecimento. Efeito contrário ocorre quando, após ser esticada, ela é distensionada. O que acontece é que, ao deformar a estrutura do material com uma certa rapidez para que não haja tempo de ele trocar calor com o meio externo, o resultado é a variação de temperatura”, explica.

Ao analisarem o que a literatura apresenta sobre o assunto, Tiago e Fonseca identificaram um trabalho que fazia o cálculo computacional do efeito elastocalórico em nanotubos de carbono. “O nanotubo de carbono nada mais é que uma estrutura enrolada sobre si mesma. O referido estudo realizou simulações usando métodos de dinâmica molecular clássica, com aplicação de força e deformação do material no sentido longitudinal. Com isso, os pesquisadores estimaram a variação de temperatura adiabaticamente, ou seja, aquela em que não há troca de calor com o meio externo. Eles obtiveram uma variação de temperatura em torno de 30 graus celsius”, relata o docente.

De posse dessas informações, Tiago assumiu como primeiro desafio reproduzir a metodologia descrita no trabalho, tarefa na qual foi exitoso. “Entretanto, nós decidimos dar um passo adiante. O estudo estrangeiro estimou a diferença de temperatura considerando somente o processo de esticar e soltar os nanotubos. Nós levamos em conta um ciclo termodinâmico completo. Para entender melhor esse ciclo, imagine um refrigerador comum. Para funcionar, ele depende de um material refrigerante, que nesse caso é um gás. Esse material tem que entrar em contato com dois sistemas - ou dois ambientes -, que apresentem temperaturas diferentes. O objetivo é retirar calor da região que pretendemos resfriar e jogá-lo para o ambiente externo”, pormenoriza o professor Fonseca.

Dessa forma, o estudo da Unicamp estimou tanto a variação de temperatura ao esticar e afrouxar os nanotubos quanto o COP de um ciclo termodinâmico, que é a relação entre a quantidade de calor retirada da região que se deseja resfriar, a partir do uso da menor energia externa possível. Para se ter ideia, os refrigeradores comerciais normalmente apresentam um bom coeficiente de performance. O sistema atinge 60% de um limite físico determinado pelas leis da natureza, o chamado limite de Carnot. Isso equivale a um COP em torno de 8. No ciclo tomado para análise por Tiago, com o uso de dois nanotubos diferentes, os coeficientes de performance foram 4,1 e 6,5, respectivamente. “São resultados que estão próximos da eficiência dos refrigeradores comerciais, e que são iguais ou até melhores que o de outros materiais descritos pela literatura e que se baseiam no efeito elastocalórico”, contextualiza o orientador do estudo.

Foto: Scarpa
O estudante Tiago Cantuário, autor do trabalho: “No começo, foi bem difícil. Depois, fui me entusiasmando, justamente porque passei a trabalhar com temas abordados em sala de aula”

Tanto o professor Fonseca quanto o estudante Tiago esperam, agora, que grupos experimentais se interessem pelos resultados. Embora os nanotubos de carbono sejam elementos extremamente pequenos, da ordem da bilionésima parte do metro, o docente considera que eles podem ser integrados como material refrigerante em dispositivos igualmente diminutos, como circuitos eletrônicos e chips, visto que alguns tipos de nanotubos apresentam propriedades eletrônicas ou semicondutoras. “Um desafio a ser superado é como aplicar a força para deformar esse material, nessa escala de tamanho, e obter a variação de temperatura. Mas isso é um problema que o pessoal da engenharia, que é muito criativo, certamente conseguirá resolver”, infere.


Estímulo

O professor Fonseca destaca a importância do uso dos conteúdos aplicados em aula para estimular a curiosidade dos estudantes. “Quando pensamos em pesquisa, normalmente temos a ideia de que deve ser um projeto grande, situado na fronteira do conhecimento, envolvendo apenas conceitos complexos. Não necessariamente. Na prática, podemos realizar investigações com base no que discutimos nas salas de aula, seja na graduação, seja na pós-graduação. O estudo do Tiago utilizou um pensamento que é trabalhado na disciplina de Física 2, associado a um objeto de estudo de ponta, que é o nanotubo de carbono, usando software acadêmico e profissional com o qual fazemos simulações. Além de colocarmos em prática o que é trabalhado na teoria, ainda tivemos a oportunidade de fazer uma publicação”.

Para Tiago, ter desenvolvido o estudo foi uma excelente oportunidade. Além de aprender colocando a mão na massa, ele superou resistências. “Desde o ensino médio eu tinha resistência a assuntos ligados à termodinâmica. Eu aceitei fazer o projeto porque estava relacionado com os nanotubos de carbono, algo que me interessava. No começo, foi bem difícil. Assim como era difícil explicar para meus colegas e familiares o tema da minha Iniciação Científica. Depois, fui me entusiasmando, justamente porque passei a trabalhar com temas abordados em sala de aula”, conta.

O ânimo gerado pela experiência foi tanto que Tiago “contaminou” um amigo próximo. “De tanto me ouvir falar sobre o meu projeto, ele acabou se interessando por fazer Iniciação Científica também. Considero a experiência excelente, entre outras coisas porque valoriza a carreira acadêmica”, entende o graduando. A consideração é reafirmada pelo professor Fonseca. “Sem dúvida, entrar em contado com o método científico precocemente abre a mente do aluno. Isso aconteceu comigo quando fiz a graduação aqui mesmo na Unicamp. Esse tipo de atividade nos torna mais aptos a aprender a aprender e nos revela a capacidade que temos de resolver problemas e produzir conhecimento”, finaliza o docente.

 

 

Imagem de capa JU-online

Audiodescrição: em área interna, imagem frontal e de busto, jovem sorri, mantendo os braços baixados. À esquerda na imagem, junto a ele, há um monitor de lcd com cerca de 25 polegas que exibe ilustrações geométrica retangulares, e uma estrutura metálica construída com um tipo de arame com vários hexágonos unidos. Às costas dele, há persianas verticais que ocupam quase todo o fundo da imagem a partir da direita. Ele vete uma camiseta azul. Imagem 1 de 1.