'Dando um calor' no Grafeno

Nesta pequena série sobre o grafeno, este material tão peculiar, já descobrimos que é constituído de uma malha de átomos de carbono interligados, o que faz dele o único material bidimensional existente no planeta. Vimos também que, apesar de não ter espessura, o grafeno não apenas é o material mais forte que existe como também o melhor condutor de eletricidade, superando o cobre (o melhor condutor até agora conhecido) em 35%.

Essas qualidades já bastam para fazer do grafeno um material muito especial. Mas há outras igualmente extraordinárias.

Por exemplo: em geral os bons condutores de eletricidade são igualmente bons no que toca à condução do calor (condutividade térmica). E de fato assim é.

Para avaliar isto, uma equipe de cientistas da Universidade da Califórnia de Riverside, EUA, liderada pelo Prof. Alexander Balandin, do Departamento de Nanodispositivos, conseguiu isolar uma única camada de grafeno, estendeu-a sobre uma fenda de 3 micra entre duas peças de grafite apoiadas sobre camadas isolantes de 300 nm de espessura montadas em um substrato de silício, focalizou exatamente no centro dela um feixe de raio laser e, em temperatura ambiente, mediu a condutividade térmica da camada de grafeno (ou seja, a rapidez e eficiência com que ela conduz energia térmica). O diagrama esquemático que mostra o experimento é exibido na Figura 1, obtida do resumo do artigo técnico que o descreve.

Figura 1: Medida da condutividade térmica do grafeno (Foto: Reprodução)

 

A unidade de condutividade térmica é um tanto confusa para quem não é “do ramo”. Vou tentar explicar da forma mais simples que eu conseguir (porque, como vamos ver mais tarde, a condutividade térmica do grafeno assumirá um papel importante nesta história), mas se ainda assim você não entender, não se preocupe. Primeiro, porque o assunto é realmente complexo. Segundo, porque não importando qual seja a unidade, para comparar condutividades térmicas basta comparar os números, não importando em que unidades são expressos: números maiores indicam maior condutividade e números menores, proporcionalmente menor condutividade.

Mas ainda assim vou tentar explicar. E se você não estiver interessado em detalhes técnicos, basta pular daqui direto para o parágrafo que sucede a linha que contém uma fórmula solitária que você encontrará alguns parágrafos adiante.

Calor é uma forma de energia. E qualquer tipo de energia: elétrica, térmica, mecânica, etc. pode ser expresso pela mesma unidade. Vamos escolher a oficial, o Joule (símbolo J) recomendada pelo Sistema Internacional de unidades (SI).

Mas energia é uma grandeza interessante. Ela é definida como “a capacidade de produzir trabalho”, por isso suas unidades são também usadas para exprimir trabalho. Por exemplo: empurrar um elefante de cinco toneladas, empacado, para fazê-lo se deslocar um metro. Ou empurrar um burro de 250 kg, igualmente empacado, para deslocá-lo a mesma distância. Isso é trabalho (produto da força necessária para deslocar certa massa pela distância do deslocamento)

A resposta é simples. Como 5 toneladas é um peso 20 vezes maior que 250 kg, assumindo que o coeficiente de atrito entre o elefante e o terreno seja igual ao coeficiente de atrito entre o burro e o terreno, a força necessária para empurrar o elefante será vinte vezes maior. E como trabalho (que é igual a energia gasta para produzi-lo) é igual ao produto desta força pelo deslocamento e como burro e elefante foram deslocados pela mesma distância, a energia gasta para deslocar o elefante é vinte vezes maior que a dispendida para deslocar o burro (na vida real, tenho convivido com burros tão firmemente apegados às suas opiniões que, para afastá-los delas, é preciso gastar muito mais energia que para mover um elefante, mas isto nada tem a ver com a física nem com o assunto de hoje).

Vamos adiante.

Você sabe o que é “potência”? Quem não sabe associa esta grandeza física, ainda que vagamente, com energia. E têm razão. Porque potência é igual à relação entre energia dispendida e o tempo gasto para consumi-la.

Voltemos aos nossos animais. Mesmo quem não tem noções de física, inconscientemente, presume que empurrar um metro o elefante empacado leva mais tempo que empurrar o burro ao longo do mesmo trajeto. Mas vamos quantificar isto.

Suponhamos que se gaste apenas um minuto para empurrar o burro e se consuma vinte minutos para fazer o mesmo com o elefante. Ora, como a energia gasta para empurrar o burro foi um vigésimo da consumida para empurrar o elefante, quando as dividirmos pelo tempo respectivo teremos exatamente o mesmo valor. A potência consumida foi a mesma.

Ou seja: a potência consumida para deslocar por um metro uma massa de 5.000 kg em vinte minutos é exatamente a mesma dispendida para deslocar pelo mesmo metro uma massa de 250 kg em um minuto. E sua unidade no SI é o Watt (símbolo W).

Agora, imagine que você deseja medir a condutividade térmica de um dado material. Para isto você deve aplicar calor (energia térmica) durante algum tempo em um determinado ponto (ou seja, uma potência térmica, relação entre energia térmica e o tempo em que é aplicada. E verificar a rapidez com que esta energia se propaga por um certo trecho do material, elevando sua temperatura. Ora, isto é fácil: basta acompanhar a evolução da temperatura (medida em graus Kelvin) a uma dada distância do ponto de aplicação da energia. Isto feito, basta dividir a potência aplicada (W) pelo produto do aumento da temperatura (K) pela distância entre o ponto de aplicação e o de medição deste aumento expressa em metros (m).

Voltemos à figura 1. O ponto de aplicação é o local onde o raio laser focaliza na superfície do grafeno. A variação da temperatura foi medida na borda desta mesma superfície. E o tempo de aplicação do laser foi cronometrado.

A condutividade térmica será igual a:

C = W / (K . m)

Segundo o artigo citado, os valores da condutividade do grafeno obtidos por Balandin e sua equipe variavam entre C = 4.840 W/K.m e C = 5.300 W/K.m. Um valor médio de 5.070 W/K.m.

E o que significa isto?

Bem, só podemos interpretar comparando este valor médio com os valores obtidos para outras substâncias. Que podem ser encontrados em uma tabela incluída no artigo da Wikipédia “Condutividade térmica”.

Então vamos lá.

Vamos deixar de lado os demais materiais para nos concentrarmos nos metais, que sabidamente conduzem melhor o calor.

Que tal o ferro?

Mau exemplo. Dos metais, está entre os piores condutores de calor. Sua condutividade térmica é de apenas míseros C = 80,2 W/K.m.

Então deixemos os maus condutores de lado e vamos logo para os melhores. E quando se pensa em “bom condutor”, o cobre vem logo à mente. E não sem razão: sua condutividade é de C = 401 W/K.m. Porém não é o melhor condutor térmico. Porque entre os metais, o campeão é a prata, com uma condutividade de C = 429 W/K.m.

Uma condutividade térmica mais de dez vezes menor que o menor valor obtido para o grafeno.

Mas será que não há algum material capaz de conduzir calor melhor que os metais? Mas muito melhor mesmo?

Sim, há. Trata-se de um material recentemente “descoberto” pela nanotecnologia e que, como o grafeno, brevemente se revestirá de imensa importância: o nanotubo de carbono. Que, até muito recentemente, era considerado o melhor condutor térmico conhecido, o campeão, com sua condutividade de C = 3.500 W/K.m (ainda segundo a Wikipedia no interessante artigo “Carbon nanotube”).

A condutividade térmica do grafeno é 50% maior.

Ou seja: além das demais qualidades, o grafeno é o melhor condutor de calor conhecido.

Caramba!

Não bastava ao grafeno ser o único material bidimensional existente no planeta, o material mais forte que existe e o melhor condutor de eletricidade, tinha também que ser o melhor condutor térmico?

Mas que material extraordinário!

Ora, um material destes deve ter imensas aplicações práticas. Quais seriam?

Bem, deixemos a resposta para a próxima coluna. Que, posso garantir desde já: vai supreendê-lo…

B. Piropo

Até o próximo Melhor do Planeta

Fonte: http://www.techtudo.com.br/artigos/noticia/2013/07/dando-um-calor-no-grafeno.html