Graphene Oxide Aerogels with Ultra-Low Thermal Conductivity

O calor é um viajante implacável. No mundo moderno, onde os edifícios consomem uma vasta porção da energia global simplesmente para manter seus interiores confortáveis, a batalha contra a perda indesejada de calor é um desafio central. Os materiais que usamos para construir nossas casas, particularmente o cimento e o concreto padrão, são frequentemente deficientes em deter esse fluxo, permitindo que o calor escape no inverno e entre no verão. Para resolver isso, os cientistas buscam uma classe de materiais chamados aerogéis. Estas são substâncias tão leves e preenchidas com ar que atuam como barreiras excepcionais ao calor. Imagine um material sólido que é quase inteiramente espaço vazio, uma esponja feita de matéria sólida onde os buracos são tão minúsculos e numerosos que aprisionam o ar de forma tão eficaz que ele não consegue se mover para carregar o calor para longe. Este conceito tem sido um objetivo de longa data para a eficiência energética, mas encontrar uma maneira de produzir esses materiais de forma barata, simples e com propriedades controláveis continua sendo um obstáculo.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Patras e da Fundação de Pesquisa e Tecnologia da Grécia deu um passo significativo em direção a esse objetivo ao trabalhar com uma forma de carbono conhecida como óxido de grafeno. Este material começa como uma substância espessa, semelhante a uma gelatina, quando misturado com água, conhecida como hidrogel, e pode ser transformado em um sólido seco e esponjoso chamado aerogel. Os pesquisadores buscaram entender exatamente como a estrutura deste material altera sua capacidade de conduzir calor. Eles queriam ver se poderiam criar uma versão que fosse tão porosa e leve que impediria a passagem do calor quase totalmente, tornando-a um isolante superior para edifícios e outras aplicações.

A equipe começou criando uma mistura líquida estável de folhas de óxido de grafeno. Eles despejaram essa mistura em moldes e a aqueceram suavemente. À medida que a água evaporava, as minúsculas folhas de carbono ligavam-se espontaneamente, formando uma rede tridimensional contínua. Esse processo criou um hidrogel que era majoritariamente água, mas mantido por uma estrutura sólida. Quando mediram quão bem essa estrutura úmida e gelatinosa conduzia o calor, descobriram que era surpreendentemente eficiente em mover energia. O calor viajava através do material a uma taxa de 1,50 watts por metro por Kelvin. Este valor alto ocorreu porque as folhas estavam compactadas próximas umas das outras, criando um caminho denso e contínuo para o calor seguir, muito parecido com um corredor lotado onde as pessoas podem se mover rapidamente de um lado para o outro.

Para criar um verdadeiro isolante, os pesquisadores precisavam mudar essa estrutura densa em algo muito mais aberto. Eles submeteram o hidrogel a um processo químico que removeu os átomos de oxigênio ligados às folhas de carbono, transformando o material em óxido de grafeno reduzido. Em seguida, removeram cuidadosamente toda a água restante sem esmagar a estrutura delicada, uma técnica conhecida como secagem sob pressão ambiente. O resultado foi um aerogel ultraleve que era 99 por cento ar. Este material era tão leve que um centímetro cúbico pesava apenas cerca de 26 miligramas. Quando a equipe testou esse sólido seco e esponjoso, os resultados foram impressionantes. A condutividade térmica caiu para apenas 0,021 watts por metro por Kelvin. Este valor é significativamente inferior a muitos materiais de isolamento padrão usados na construção civil hoje e está entre os mais baixos já registrados para este tipo de material à base de grafeno.

A diferença dramática entre o gel úmido e o aerogel seco resume-se a como o calor se move através deles. No hidrogel denso, as folhas de carbono sólidas tocavam-se frequentemente, permitindo que o calor fluísse facilmente. No aerogel, a estrutura sólida é incrivelmente fina e esparsa, separada por vastos bolsões de ar. O calor luta para atravessar esse intervalo porque o caminho sólido é interrompido, e o ar aprisionado nos poros minúsculos não pode se mover livremente para carregar energia. Os pesquisadores observaram que a estrutura do aerogel faz com que as vibrações que carregam o calor, conhecidas como fónons, se espalhem e ricocheteiem em vez de viajar em linha reta. Esse espalhamento, combinado com a falta de material sólido para conduzir o calor, bloqueia efetivamente o fluxo de energia.

Para chegar a essas conclusões, a equipe desenvolveu uma maneira prática e acessível de medir essas propriedades sem depender de equipamentos de laboratório caros e especializados. Eles usaram uma câmera térmica padrão para observar a rapidez com que filmes aquecidos do material esfriavam, e empregaram uma configuração construída sob medida para medir como o calor se movia através das amostras mais espessas de gel e aerogel. Ao combinar essas observações com medições de quanta energia os materiais podiam armazenar, eles calcularam a condutividade térmica com confiança. O trabalho deles confirma que a chave para criar um superisolante não reside apenas no material em si, mas em como ele é arranjado. Ao controlar a porosidade e as conexões entre as folhas, eles demonstraram que o mesmo material de base pode ser ajustado para conduzir calor eficientemente ou bloqueá-lo quase completamente.

As descobertas sugerem que estes géis derivados de grafeno oferecem um caminho promissor para a próxima geração de gestão térmica. A capacidade de produzir um material com uma condutividade térmica tão baixa usando um processo químico relativamente simples e um método de secagem direto torna-o um forte candidato para uso no mundo real. Os pesquisadores observaram que, embora outros estudos tenham alcançado valores de condutividade ainda mais baixos, estes frequentemente exigiam métodos mais complexos ou caros. O material descrito aqui equilibra um desempenho extremo com uma rota de síntese que é mais fácil de replicar. Este trabalho destaca que o futuro dos materiais de construção energeticamente eficientes pode residir na manipulação da arquitetura microscópica do carbono, transformando uma substância que é naturalmente boa em conduzir calor em um dos melhores isolantes conhecidos, simplesmente por torná-la majoritariamente espaço vazio.