L'utilisation de réfrigérateurs à semi-conducteurs pour refroidir les appareils et les appareils électroniques est une application technologique possible pour une étude théorique menée à l'Université de Campinas (UNICAMP) dans l'État de São Paulo, Brésil.

Bien que cette application ne soit pas considérée dans l'étude, qui était basé sur des simulations informatiques, de telles applications se profilent à l'horizon et pourraient constituer une alternative efficace et écologique aux réfrigérateurs à compression de vapeur, qui dominent actuellement le marché et contribuent à l'appauvrissement de la couche d'ozone et au réchauffement climatique.

L'étude, dirigé par Alexandre Fonseca avec la participation de son ancien élève Tiago Cantuário, faisait partie du projet « Nanostructures de carbone :modélisation et simulations, " soutenu par la São Paulo Research Foundation—FAPESP. Les résultats sont publiés dans un article de la revue Annalen der Physik .

"Le refroidissement à l'état solide est un domaine de recherche jeune avec des résultats prometteurs. La méthode que nous avons étudiée est basée sur ce qu'on appelle l'effet élastocalorique (ECE), qui utilise les variations de température dans un système en réponse à des contraintes mécaniques. Nous avons effectué des simulations informatiques de cet effet dans des nanotubes de carbone, " a déclaré Fonseca.

Dans le monde macroscopique, un effet analogue est observé lorsqu'un élastique se réchauffe lorsqu'il est rapidement étiré et se refroidit à nouveau lorsqu'il est relâché. L'effet se produit si la déformation est appliquée au matériau de sorte qu'il n'y ait pas de transfert de chaleur dans ou hors du système, c'est à dire., lorsque le processus est adiabatique.

"Nous avons commencé nos recherches sur la base d'un article intitulé 'Elastocaloric effect in carbon nanotubes and graphene', publié en 2016 par Sergey Lisenkov et collaborateurs. Il décrivait une étude de simulation informatique montrant que lorsqu'une petite déformation était appliquée aux nanotubes de carbone, correspondant jusqu'à 3% de leur longueur initiale, ils ont répondu avec une variation de température allant jusqu'à 30 °C, " a déclaré Fonseca.

"Contrairement aux recherches de Lisenkov, qui simulait uniquement une simple contrainte et une force de compression appliquée aux nanotubes, nous avons reproduit le processus informatiquement pour un cycle thermodynamique complet. Dans notre simulation, nous avons considéré deux phases – déformation et relâchement des nanotubes – et deux échanges thermiques avec deux réservoirs externes. Nous avons estimé la chaleur qui serait extraite par le nanotube s'il était en contact idéal avec un certain milieu. Nous avons obtenu un bon résultat pour le coefficient de performance par rapport à ceux d'autres matériaux testés expérimentalement."

Le coefficient de performance est défini comme la chaleur extraite par un système d'une région donnée divisée par l'énergie dépensée pour le faire. Dans le cas d'un réfrigérateur domestique, par exemple, il indique la quantité de chaleur extraite par l'appareil de l'environnement interne au prorata de l'électricité consommée. Les meilleurs réfrigérateurs ménagers ont des coefficients de performance de l'ordre de 8, c'est-à-dire qu'ils transfèrent huit fois plus d'énergie thermique de l'intérieur vers l'extérieur que la quantité d'électricité extraite du réseau de distribution pour effectuer l'échange.

"Simuler le processus pour deux nanotubes différents, nous avons obtenu des coefficients de performance de 4,1 et 6,5. Ce sont des chiffres relativement bons par rapport à ceux d'autres phénomènes d'échange de chaleur, " expliqua Fonseca.

Un autre avantage concerne la structure atomique et moléculaire. « Dans le cas de certains matériaux, l'application de la résistance à la traction fait changer de phase l'échantillon en modifiant sa structure cristalline. Dans le cas des nanotubes, l'effet thermique est dû uniquement à la dilatation et à la relaxation de la structure, qui n'est pas modifié. Ceci est un avantage car les changements de phase font que le matériau perd progressivement sa capacité à effectuer la fonction d'intérêt. Dans le cas des nanotubes, cependant, le processus ne produit aucune transformation structurelle susceptible de provoquer des défauts. Les atomes sont séparés lors de l'expansion et reviennent à leurs positions d'origine avec relaxation, " il a dit.

Nanoéchelle

Selon Fonseca, des tests de rupture ont montré que les nanotubes de carbone étaient capables de s'étirer jusqu'à 20 %. Cette résistance à la déformation combinée à de hautes performances en effets élastocaloriques fait des nanotubes de carbone des matériaux intéressants pour le développement de l'électronique à l'échelle nanométrique.

« Le problème central en électronique est le refroidissement. Notre motivation était d'imaginer un appareil qui pourrait utiliser un cycle simple pour extraire la chaleur d'un appareil. Les nanotubes de carbone se sont avérés très prometteurs, " dit-il. " Ils ont aussi une autre vertu, c'est-à-dire qu'ils sont suffisamment petits pour être noyés dans une matrice polymère, une propriété souhaitable à un moment où les fabricants investissent dans la recherche et le développement pour obtenir des appareils électroniques flexibles tels que les smartphones pliables. changement climatique mondial.