Investigadores da Escola Politécnica Federal de Lausanne (EPFL), na Suíça, apresentaram uma descrição analítica inédita para o transporte hidrodinâmico de calor que permite prever e até inverter o sentido do fluxo térmico em materiais sólidos. O resultado reforça a possibilidade de criar dispositivos que conduzam calor por “canais” bem definidos, solução considerada promissora para controlar a temperatura em baterias e processadores.
Novo enquadramento teórico substitui simulações pesadas
Desde 2020 a equipa da EPFL vinha a trabalhar num regime de condução pouco comum, no qual o calor se desloca como se fosse um fluido dentro de um encanamento microscópico. Esse fenómeno, mediado por fónons – excitações colectivas da rede cristalina –, tinha sido observado em materiais monoatómicos, como o grafeno, mas continuava a depender de cálculos numéricos complexos, com pouca transparência física.
Para ultrapassar esse obstáculo, os cientistas reescreveram as equações do chamado “calor viscoso” em duas expressões bi-harmónicas modificadas, forma habitual de tratar problemas de fluxo. O procedimento gerou uma função real que recebe variáveis como temperatura, densidade de energia e geometria do material e devolve soluções exactas, dispensando aproximações computacionais extensas.
Segundo Enrico Di Lucente, membro do grupo de pesquisa, a nova abordagem não apenas simplifica os cálculos como revela a contribuição de cada parâmetro para o resultado final. Pela primeira vez, o modelo separa a temperatura em dois componentes independentes: compressibilidade térmica, que mede a variação da densidade de energia dos fónons ao longo do gradiente térmico, e vorticidade térmica, associada ao movimento rotacional do fluxo de calor.
Refluxo térmico gera resistência negativa
Com o quadro analítico estabelecido, a equipa simulou uma lâmina de grafite arrefecida a 70 K. Os cálculos indicaram que, ao injectar calor em pontos específicos, formam-se vórtices laterais capazes de empurrar energia das zonas frias para as mais quentes, fenómeno baptizado de “refluxo térmico”. Nessa condição, o dispositivo apresenta resistência térmica negativa: a transferência de calor ocorre na direcção oposta ao gradiente de temperatura, contrária às expectativas da condução difusiva convencional.
O efeito observado mantém amplitude de poucos kelvin, mas mostra-se consistente e reproduzível dentro do regime hidrodinâmico. Na prática, o resultado oferece uma nova variável de projecto para componentes electrónicos. Ao canalizar calor de forma direccionada, seria possível evitar pontos de sobreaquecimento em chips e prolongar a vida útil de baterias de alta densidade.
Imagem: Tecnologia & Inovação
Aplicações vão além dos fónons
Embora desenvolvido para transportes dominados por fónons, o método admite extensão a outros sistemas colectivos. Fluxos electrónicos, normalmente tratados como incompressíveis, podem tornar-se compressíveis em certas condições, como na plasmónica. Da mesma maneira, mágnons – excitações magnéticas que se comportam como partículas – também obedecem a equações análogas. A descrição apresentada pela EPFL funciona, portanto, como estrutura unificadora para diversos meios de condução.
O próximo passo inclui testes experimentais para validar as previsões em laboratório e avaliar escalabilidade em temperaturas de operação dos semicondutores actuais. Caso o comportamento se confirme acima do regime criogénico utilizado nos cálculos, o conceito de “canalização térmica” poderá integrar projectos comerciais de gestão de calor.
Por que o calor hidrodinâmico interessa à indústria
Com a miniaturização dos componentes electrónicos e o aumento da densidade de potência, a remoção eficiente de calor tornou-se um dos principais desafios de engenharia. Soluções baseadas em materiais com elevada condutividade, como cobre ou grafite, atingem limites físicos quando as camadas de interconexão caem para a escala nanométrica. A possibilidade de controlar o fluxo térmico com comportamento semelhante ao de um fluido, dasando pontos de injecção e colecta, representa alternativa potencialmente mais flexível e eficaz.
Além disso, a identificação formal da compressibilidade e da vorticidade térmica fornece parâmetros mensuráveis que engenheiros podem optimizar em softwares de desenho assistido. A mesma estrutura matemática pode orientar o desenvolvimento de metasuperfícies térmicas, dissipadores activos e outras arquitecturas que manipulem calor de forma análoga ao que já se faz com ondas electromagnéticas.
Ao transformar um problema numérico em expressão analítica, a equipa da EPFL deu novo impulso ao estudo da hidrodinâmica de fónons. Os autores acreditam que a ferramenta, agora tornada pública, vai acelerar investigações em física do estado sólido e abrir oportunidades para dispositivos que, literalmente, obrigam o calor a “marchar para trás”.
