L'utilizzo di frigoriferi a stato solido per raffreddare elettrodomestici e dispositivi elettronici è una possibile applicazione tecnologica per uno studio teorico condotto presso l'Università di Campinas (UNICAMP) nello Stato di San Paolo, Brasile.

Sebbene questa applicazione non sia considerata nello studio, che si basava su simulazioni al computer, tali applicazioni sono all'orizzonte e potrebbero essere un'alternativa efficiente ed ecologica ai frigoriferi a compressione di vapore, che attualmente dominano il mercato e contribuiscono all'esaurimento dell'ozono e al riscaldamento globale.

Lo studio, guidato da Alexandre Fonseca con la partecipazione del suo ex allievo Tiago Cantuário, faceva parte del progetto "Nanostrutture di carbonio:modellazione e simulazioni, " supportato dalla São Paulo Research Foundation—FAPESP. I risultati sono pubblicati in un articolo sulla rivista Annalen der Physik .

"Il raffreddamento allo stato solido è un campo di ricerca giovane con risultati promettenti. Il metodo che abbiamo studiato si basa sul cosiddetto effetto elastocalorico (ECE), che sfrutta le variazioni di temperatura in un sistema in risposta a sollecitazioni meccaniche. Abbiamo eseguito simulazioni al computer di questo effetto in nanotubi di carbonio, " ha detto Fonseca.

Nel mondo macroscopico, un effetto analogo si osserva quando un elastico si riscalda quando viene rapidamente allungato e si raffredda nuovamente quando viene rilasciato. L'effetto si verifica se la deformazione viene applicata al materiale in modo che non vi sia trasferimento di calore all'interno o all'esterno del sistema, cioè., quando il processo è adiabatico.

"Abbiamo iniziato la nostra ricerca sulla base di un articolo intitolato "Effetto elastocalorico nei nanotubi di carbonio e nel grafene", pubblicato nel 2016 da Sergey Lisenkov e collaboratori. Ha descritto uno studio di simulazione al computer che mostra che quando una piccola deformazione è stata applicata ai nanotubi di carbonio, corrispondenti fino al 3% della loro lunghezza iniziale, hanno risposto con una variazione di temperatura fino a 30 °C, " ha detto Fonseca.

"In contrasto con la ricerca di Lisenkov, che simulava solo la semplice deformazione e la forza di compressione applicata ai nanotubi, abbiamo riprodotto il processo computazionalmente per un ciclo termodinamico completo. Nella nostra simulazione, abbiamo considerato due fasi - deformazione e rilascio dei nanotubi - e due scambi di calore con due serbatoi esterni. Abbiamo stimato il calore che verrebbe estratto dal nanotubo se fosse in contatto ideale con un determinato mezzo. Abbiamo ottenuto un buon risultato per il coefficiente di prestazione rispetto a quelli di altri materiali testati sperimentalmente."

Il coefficiente di prestazione è definito come il calore estratto da un sistema da una data regione diviso per l'energia spesa per farlo. Nel caso di un frigorifero domestico, Per esempio, mostra la quantità di calore sottratta dall'apparecchio all'ambiente interno in proporzione all'energia elettrica consumata. I migliori frigoriferi domestici hanno coefficienti di prestazione dell'ordine di 8, cioè trasferiscono dall'interno all'esterno otto volte più energia termica rispetto alla quantità di energia elettrica estratta dalla rete di alimentazione per effettuare lo scambio.

"Simulando il processo per due diversi nanotubi, abbiamo ottenuto coefficienti di prestazione di 4.1 e 6.5. Si tratta di numeri relativamente buoni rispetto a quelli per altri fenomeni di scambio termico, "Spiega Fonseca.

Un altro vantaggio riguarda la struttura atomica e molecolare. "Nel caso di alcuni materiali, l'applicazione della resistenza alla trazione rende la fase di cambio del campione modificando la sua struttura cristallina. Nel caso dei nanotubi, l'effetto termico è dovuto esclusivamente all'espansione e al rilassamento della struttura, che non viene modificato. Questo è un vantaggio perché i cambiamenti di fase fanno perdere gradualmente al materiale la sua capacità di svolgere la funzione di interesse. Nel caso dei nanotubi, però, il processo non produce trasformazioni strutturali in grado di causare difetti. Gli atomi vengono separati durante l'espansione e ritornano nelle loro posizioni originali con il rilassamento, " Egli ha detto.

Nanoscala

Secondo Fonseca, i test di rottura hanno dimostrato che i nanotubi di carbonio sono in grado di allungarsi fino al 20%. Questa resistenza alla deformazione combinata con elevate prestazioni negli effetti elastocalorici rende i nanotubi di carbonio materiali interessanti per lo sviluppo dell'elettronica su scala nanometrica.

"Il problema principale nell'elettronica è il raffreddamento. La nostra motivazione era immaginare un dispositivo che potesse utilizzare un semplice ciclo per estrarre calore da un apparecchio. I nanotubi di carbonio si sono dimostrati molto promettenti, " disse. "Hanno anche un'altra virtù, che è che sono abbastanza piccoli da essere incorporati in una matrice polimerica, una proprietà desiderabile in un momento in cui i produttori stanno investendo in ricerca e sviluppo per ottenere dispositivi elettronici flessibili come gli smartphone pieghevoli." Tutto questo fa parte di un quadro più ampio in cui i frigoriferi a compressione di vapore vengono sostituiti da frigoriferi a stato solido nel contesto di cambiamento climatico globale.