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Cimento agora conduz eletricidade e gera calor

Inovação Tecnológica - Abril 2021 714 Visualizações
Cimento agora conduz eletricidade e gera calor

Cimento funcionalizado
Uma colaboração entre pesquisadores dos EUA e da França está desenvolvendo um cimento que conduz eletricidade e produz calor.

A condutividade elétrica pode trazer novas funcionalidades, por exemplo permitindo que o concreto seja aproveitado para aplicações que vão desde o autoaquecimento dos edifícios até o armazenamento de energia.

A técnica se baseia na introdução controlada no cimento de carbono tratado em nanoescala. Esses "nanocarbonos" são altamente condutores, como é o caso de seus similares altamente purificados, como o grafeno e os nanotubos.

"Este é um modelo de primeira ordem do cimento condutor. E ele trará [o conhecimento] necessário para encorajar o aumento de escala desses tipos de materiais multifuncionais," disse a pesquisadora Nancy Soliman, do MIT.

Cimento com aquecimento interno
Nancy e seus colegas optaram por gerar o nanocarbono a partir do negro de fumo, um material de carbono barato e com excelente condutividade.

Incorporar o nanocarbono até 4% do volume do cimento foi suficiente para atingir o limite de percolação, o ponto em que as amostras conseguem transmitir uma corrente elétrica.

E fazer uma corrente elétrica passar pelo cimento condutor tem outro resultado interessante: Ele gera calor, devido ao efeito Joule.

"O aquecimento Joule (ou aquecimento resistivo) é causado pelas interações entre os elétrons e átomos em movimento no condutor," explicou Nicolas Chanut, membro da equipe. "Os elétrons acelerados no campo elétrico trocam energia cinética cada vez que colidem com um átomo [do cimento], induzindo a vibração dos átomos na rede [cristalina], que se manifesta como calor e aumento da temperatura do material. "

Mesmo uma pequena tensão - 5 volts - foi suficiente para aumentar a temperatura da superfície das amostras de cimento (com aproximadamente 5 cm3) para até 41 ºC. Embora um aquecedor comum possa atingir temperaturas comparáveis, é importante considerar que a estrutura inteira de uma construção poderia funcionar como aquecedor sem custos adicionais de equipamentos e instalações.

"Essa tecnologia pode ser ideal para aquecimento radiante de pisos internos," explicou Chanut. "Normalmente, o aquecimento radiante interno é feito circulando água aquecida em tubos que passam abaixo do piso. Mas esse sistema é difícil de construir e manter. Quando o próprio cimento se torna um elemento de aquecimento, no entanto, o sistema de aquecimento se torna mais simples de instalar e mais confiável. Além disso, o cimento oferece uma distribuição de calor mais homogênea devido à ótima dispersão das nanopartículas [de carbono] no material."

A condução elétrica do cimento depende de um parâmetro chamado tortuosidade.
[Imagem: Andrew Logan]

Tortuosidade
Obter a condutividade elétrica e a capacidade de aquecimento no cimento e no concreto não é tão simples quanto parece.

Acontece que seria inviável alinhar as nanopartículas de carbono no volume do cimento e do concreto para formar fios e um circuito de transmissão - conhecido como fiação volumétrica. Para garantir uma fiação volumétrica funcional, os pesquisadores investigaram então uma propriedade conhecida como tortuosidade.

"Tortuosidade é um conceito que introduzimos por analogia com o campo da difusão," explicou o professor Franz-Josef Ulm. "No passado, ele descreveu como os íons fluem. Neste trabalho, nós o usamos para descrever o fluxo de elétrons através da fiação volumétrica."

Ulm ilustra a tortuosidade com o exemplo de um carro viajando entre dois pontos de uma cidade: Embora a distância entre esses dois pontos em linha reta possa ser de três quilômetros, a distância real percorrida será maior devido ao circuito das ruas.

Acontece o mesmo com os elétrons que viajam pelo cimento: O caminho que eles devem seguir dentro do material é sempre maior do que o comprimento da própria amostra. O grau em que esse caminho é mais longo é a tortuosidade.

Alcançar a tortuosidade ideal significa equilibrar a quantidade e a dispersão do nanocarbono. Se o carbono estiver muito disperso, a fiação volumétrica se tornará esparsa, levando a uma tortuosidade muito alta. Da mesma forma, sem carbono suficiente, a tortuosidade será muito grande para formar uma fiação direta e eficiente com alta condutividade.

Mesmo a adição de grandes quantidades de carbono pode ser contraproducente. Em um determinado ponto, a condutividade deixará de melhorar e, em teoria, só aumentaria os custos de produção. Como resultado dessas complexidades, a equipe buscou otimizar suas misturas.

"Descobrimos que, ajustando o volume de carbono, podemos chegar a um valor de tortuosidade de 2," contou Ulm. "Isso significa que o caminho que os elétrons percorrem tem apenas o dobro do comprimento da amostra."

Bibliografia:
Artigo: Electric energy dissipation and electric tortuosity in electron conductive cement-based materials
Autores: Nancy A. Soliman, Nicolas Chanut, Vincent Deman, Zoe Lallas, and Franz-Josef Ulm
Revista: Physical Review Materials
Vol.: 4, 125401
DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.4.125401