Física

Os aparelhos de ar condicionado consomem energia de tal forma que – nos meses de Verão – ocupam o primeiro lugar no consumo de electricidade entre os electrodomésticos. Agora, Teppei Yamada e os seus colegas da Universidade de Tóquio desenvolveram um material que poderia ajudar a reduzir as necessidades energéticas do ar condicionado, transformando o calor residual destes sistemas em eletricidade [1]. O material também pode ser usado em dispositivos vestíveis que precisam gerar sua própria eletricidade. “As tecnologias que transformam calor em eletricidade estão em seus estágios iniciais”, diz Yamada. “Aqui, pela primeira vez, fazemos isso usando uma transição de fase [de polímero].”

O material que Yamada e seus colegas usam é um polímero termorresponsivo chamado PNV, um polímero absorvente de água desenvolvido por outros. Em solução, à temperatura ambiente, o PNV suga água de tal forma que cada fio de polímero assume a forma de uma bobina inchada. Aqueça a mistura acima de cerca de 40 °C e as correntes expelem esta água e encolhem em glóbulos compactos.

A transição “bobina-glóbulo” do PNV também pode ser induzida por meio de uma reação redox, que é uma reação que envolve a transferência de elétrons entre dois materiais. Conforme sintetizado, cada filamento do PNV que Yamada e seu grupo usam é carregado positivamente, com uma carga líquida de +2 (PNV2+). Esta cobrança pode ser reduzida em um através de vários métodos. O PNV+ sofre a mesma transição bobina-glóbulo que o PNV2+, mas a cerca de 20 °C em vez de 40 °C. Assim, se uma reação redox acontecer em uma amostra mantida a 30 °C, a transferência de elétrons desencadeará uma transição de fase.

Os cálculos da equipe mostram que esta transição de fase desencadeada por redox pode – sob certas condições – ser usada para gerar uma tensão em um dispositivo semelhante a uma bateria. Em termos gerais, o processo é o seguinte: Em um eletrodo, o glóbulo PNV+ doa um elétron ao eletrodo. Essa doação oxida o PNV+, que então se transforma em PNV2+ e incha em uma bobina inchada. No outro eletrodo, o PNV2+ enrolado recebe um elétron. Esta ação reduz o PNV2+ em PNV+ e encolhe o polímero em um glóbulo. O ciclo então se repete.

Para que esta reação gere uma tensão, os eletrodos devem ter temperaturas diferentes. Neste caso, o eletrodo frio precisa estar a uma temperatura logo acima da temperatura de transição bobina-glóbulo do PNV+ e o eletrodo quente a uma temperatura logo abaixo da temperatura de transição bobina-glóbulo do PNV2+. Este gradiente de temperatura provoca um desequilíbrio na distribuição de bobinas e glóbulos através do dispositivo, o que por sua vez induz uma diferença de potencial eletroquímico entre os eletrodos. Esta diferença é um pré-requisito para a geração de tensão em qualquer sistema, mesmo em baterias normais, diz Hongyao Zhou, membro da equipe. “Se não houvesse gradiente de temperatura, não teríamos tensão porque as transições de fase ocorreriam igualmente nos dois eletrodos, que teriam então o mesmo potencial eletroquímico”, acrescenta.

Para a demonstração, os pesquisadores construíram uma bateria com duas camadas de platina, entre as quais colocaram a mistura de PNV. Inicialmente, metade do PNV estava na forma oxidada (PNV2+) e metade na forma reduzida (PNV+). Eles ajustaram o eletrodo frio para 25 °C e aumentaram o eletrodo quente de 25 °C para 45 °C enquanto mediam a saída de tensão.

Para a mistura 50:50, os pesquisadores descobriram que a saída de tensão aumentou repentinamente quando a diferença de temperatura excedeu 10 °C. A saída máxima que registraram para a bateria foi de cerca de 20 milivolts, uma voltagem que Zhou diz que eles poderiam aumentar conectando vários dispositivos. A diferença de temperatura necessária para obter esse salto de tensão foi ajustável, passando para valores mais altos e mais baixos quando a equipe alterou a proporção de PNV+ para PNV2+ na mistura inicial. Apenas uma pequena saída de tensão foi encontrada quando substituíram o PNV por uma molécula que sofre a reação redox, mas não tem nenhuma cadeia polimérica associada, indicando que a transição de fase do polímero estava de fato por trás da geração de eletricidade, diz Zhou.