Phonon-Localization-Driven Decoupling of Dual-Channel Transport for Record-Low Intrinsic Lattice Thermal Conductivity

O calor move-se através de materiais sólidos de duas formas distintas, uma dualidade que há muito intriga cientistas que tentam criar os isolantes térmicos mais eficazes do mundo. Em materiais que não conduzem eletricidade, o calor viaja principalmente através das vibrações dos átomos que compõem a estrutura cristalina. Durante décadas, os investigadores acreditaram que, para deter este calor, teriam de dispersar estas vibrações o máximo possível, tal como colocar obstáculos no caminho de um corredor. No entanto, uma compreensão mais profunda da física revelou uma realidade mais complexa: estas vibrações atómicas comportam-se tanto como pequenas partículas a saltar através de uma rede como ondas que podem atravessar barreiras por tunelamento. O desafio tem sido que as estratégias utilizadas para travar o movimento semelhante ao de uma partícula frequentemente ajudam inadvertidamente o movimento semelhante ao de uma onda, criando um limite fundamental para quão frio um material pode ficar. Esta competição impediu que os melhores isolantes atingissem o seu mínimo teórico, deixando uma lacuna entre o que é possível e o que foi alcançado.

Uma equipa de investigadores encontrou agora uma forma de quebrar este impasse, concebendo um material que trava ambos os tipos de movimento de calor ao mesmo tempo. Ao focar-se numa família específica de cristais que formam cadeias longas e retorcidas, descobriram que os átomos nestas estruturas ficam tão confinados que as suas vibrações essencialmente congelam no lugar. Este fenómeno, conhecido como localização de fonões, cria um estado onde as vibrações são tão lentas que não conseguem mover-se como partículas, nem tunelar como ondas. O resultado é um material com uma capacidade recorde de bloquear o calor, oferecendo um novo modelo para a engenharia dos isolantes térmicos definitivos.

Os investigadores concentraram o seu estudo num grupo de compostos feitos de índio, gálio ou alumínio combinados com selénio e iodo. Estes materiais formam uma arquitetura única: tubos unidimensionais longos, feitos de átomos que se retorcem numa hélice, semelhante a uma escada em caracol. Estes tubos estão compactados, mas as forças que os mantêm unidos são incrivelmente fracas, como a suave atração entre duas folhas de papel, enquanto as ligações dentro dos tubos são fortes. Esta disposição estrutural, combinada com a presença de átomos pesados, cria a tempestade perfeita para aprisionar o calor. Os átomos pesados movem-se lentamente, e as conexões fracas entre os tubos impedem que as vibrações se espalhem facilmente de uma cadeia para a outra.

Quando a equipa simulou o comportamento destes cristais, descobriu que as vibrações dentro do material se tornaram altamente localizadas. Em vez de viajarem livremente através do cristal, as vibrações ficaram presas em pequenas regiões, incapazes de ganhar momento. Este confinamento teve um efeito duplo. Primeiro, interrompeu o fluxo de calor semelhante ao de uma partícula porque as vibrações simplesmente não conseguiam mover-se rápido o suficiente para transportar energia. Segundo, e de forma mais surpreendente, também interrompeu o tunelamento semelhante ao de uma onda. Normalmente, quando as vibrações estão aglomeradas num cristal complexo, elas podem sobrepor-se e tunelar umas através das outras, permitindo que o calor se infiltre mesmo quando o fluxo de partículas é bloqueado. Mas nestas cadeias retorcidas, as vibrações estavam tão localizadas e os níveis de energia tão distintos que o tunelamento de onda também foi esmagado. Os dois canais de transporte de calor, que normalmente competem ou se compensam, foram efetivamente desacoplados e suprimidos simultaneamente.

Os números das suas simulações são impressionantes. Para um composto chamado seleneto de iodo de índio, o fluxo de calor entre as cadeias à temperatura ambiente foi medido em apenas 0,198 watts por metro-kelvin. Este é um valor excecionalmente baixo, mas ainda mais notável foram os resultados para os compostos relacionados, o seleneto de iodo de gálio e o seleneto de iodo de alumínio. Estes materiais atingiram valores ainda mais baixos, descendo para 0,086 e 0,089 watts por metro-kelvin, respetivamente, à temperatura ambiente. Para colocar isto em perspetiva, estes valores são tão baixos que se aproximam do limite teórico de quão pouco calor um cristal sólido pode conduzir. Mesmo a altas temperaturas de 900 kelvin, estes materiais mantiveram o seu poder de isolamento, com valores a descer ainda mais para 0,058 e 0,059 watts por metro-kelvin. Este comportamento é invulgar porque muitos materiais que bloqueiam bem o calor a baixas temperaturas começam a conduzir mais calor à medida que aquecem, mas estes cristais continuaram a tornar-se melhores isolantes à medida que a temperatura subia.

A chave para este sucesso reside no design específico do material. Os investigadores demonstraram que os átomos pesados e as conexões fracas entre as cadeias forçaram as vibrações a um estado onde tinham quase nenhuma velocidade. Na linguagem da física, a velocidade de grupo, que descreve a rapidez com que uma vibração viaja, foi reduzida a uma quase imobilidade. Isto aconteceu porque as vibrações foram comprimidas em bandas de energia planas, o que significa que não tinham espaço para se mover ou espalhar. A equipa confirmou isto ao analisar a distribuição eletrónica, que mostrou que os eletrões estavam fortemente ligados dentro das cadeias, mas completamente soltos e espalhados entre elas. Isto confirmou que as cadeias eram mantidas por forças muito fracas, permitindo que as vibrações ficassem presas.

Este trabalho sugere que o caminho para a menor condutividade térmica possível não reside em tornar os cristais mais complexos ou adicionar mais impurezas para dispersar o calor, mas sim em criar um tipo específico de confinamento. Ao desenhar materiais onde as vibrações são forçadas a permanecer no lugar, os cientistas podem impedir o movimento do calor sob qualquer forma. O estudo fornece um exemplo claro de como o confinamento dimensional — restringindo o material a uma forma unidimensional — pode ser usado para projetar propriedades que anteriormente se pensava serem impossíveis de alcançar num único cristal. Estas descobertas oferecem uma nova direção para a criação de materiais que possam proteger eletrónicos sensíveis do calor ou melhorar a eficiência de dispositivos que convertem calor residual em eletricidade, ao superar finalmente o compromisso fundamental que tem limitado o isolamento térmico durante tanto tempo.