Cientistas descobrem características anômalas de condutividade térmica em bismutato de bário

Pesquisa apoiada pela FAPESP revela mecanismos inéditos que podem revolucionar o uso de óxidos funcionais em tecnologias de isolamento térmico e dispositivos termoelétricos

Agência FAPESP – Pesquisadores do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IF-USP) e da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) descobriram que o cristal de bismutato de bário (BaBiO₃) apresenta condutividade térmica tão baixa quanto a de um vidro, apesar de sua estrutura ordenada.

A descoberta, informa a Assessoria de Imprensa do IF-USP, faz parte de estudo financiado pela FAPESP (18/19420-3, 24/16100-9, 24/00177-2, 19/17874-0, 18/08845-3 e 22/14202-3) e publicado em artigo na revista Advanced Science.

O bismutato de bário é um material conhecido desde a década de 1960, mas não havia sido explorado por esse ângulo, já que pesquisas anteriores focaram em aplicações como supercondutividade, fotocatálise e outras. A pesquisa explorou o conhecimento em transporte térmico em trabalho do grupo liderado pela pesquisadora Valentina Martelli, do IF-USP.

Em cristais, a condução de calor é governada principalmente por dois tipos de portadores de calor: os elétrons e os fônons. Os últimos podem ser considerados como sendo quantizações das vibrações da rede cristalina. Enquanto os elétrons desempenham um papel bastante relevante no transporte de calor em materiais metálicos, os fônons desempenham papel central em isolantes e semicondutores, como no caso do BaBiO₃.

A eficiência com que esses portadores transferem energia térmica depende de diversos fatores, como a estrutura cristalina, a presença de defeitos e os mecanismos de espalhamento. Por exemplo, o diamante é um péssimo condutor elétrico, porém ótimo condutor térmico. Já os vidros, que têm uma estrutura desordenada, dificultam o movimento dos portadores de calor, resultando em baixa condutividade térmica.

Segundo os pesquisadores da USP e da UFMG, o que chama a atenção no bismutato de bário é que, apesar de ter seus átomos organizados em um padrão cristalino, ele apresenta uma condutividade térmica extremamente baixa, comparável à de materiais vítreos, que são amorfos. Isso indica que há algo incomum acontecendo em sua estrutura interna. Os cientistas observaram que o material apresenta uma combinação de mecanismos não usuais, como instabilidades dinâmicas, que dificultam o transporte dos fônons: eles ficam espalhados demais e são transmitidos apenas por um caminho bem curto dentro da amostra, como se o material fosse um vidro.

Experimentos de condutividade térmica

Para chegar a essa conclusão, os cientistas combinaram experimentos de condutividade térmica com simulações computacionais. Em destaque, o fato de se tratar de uma colaboração brasileira teórico-experimental, com uso de métodos experimentais sofisticados e esforço teórico significativo, envolvendo cálculos avançados e alto poder computacional.

Os experimentos foram conduzidos no IF-USP combinando dois métodos experimentais: o primeiro chamado de método estacionário, baseado em um fluxo de calor estável através do material, e o segundo, chamado de 3ω, que é uma metodologia avançada baseada no uso de uma excitação térmica oscilatória. A combinação de metodologias permitiu medir a condução de calor em um considerável intervalo de temperaturas: de -271 °C até 122 °C.

Já as simulações, feitas em supercomputadores brasileiros como o Santos Dumont, do Laboratório Nacional de Computação Científica, o Ada Lovelace, dos Centros Nacionais de Processamento de Alto Desempenho de São Paulo, e o Coaraci, da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), permitiram estudar o comportamento dos fônons no BaBiO₃ em detalhes, com o apoio de ferramentas como Teoria Funcional da Densidade e aprendizado de máquina.

Contribuições

A descoberta contribui na busca de novos materiais funcionais com características que possam ser controladas para diversas aplicações. Materiais óxidos funcionais, em particular, são compostos que apresentam propriedades físicas ou químicas ainda pouco compreendidas, com grande potencial nesse contexto.

Além disso, a descoberta de um comportamento do bismutato de bário semelhante ao vidro é bastante atrativo porque indica que o material pode ser empregado, por exemplo, como isolante térmico em dispositivos que exigem baixa dissipação térmica ou como plataforma, após apropriada dopagem eletrônica, para desenvolvimento de novos dispositivos termoelétricos.

Essas propriedades térmicas não usuais do BaBiO₃ o colocam como candidato para o design de heteroestruturas funcionais, que surgem da combinação de dois ou mais materiais diferentes, geralmente em camadas finas e alternadas, que apresentam propriedades otimizadas ou novas em relação aos materiais que as formam quando considerados separadamente.

O artigo Anomalous glassy thermal conductivity in a perovskite bismuthate induced by structural dynamic instability pode ser lido em: advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202502379.