Gemas escondidas na descoberta de materiais Curando nosso clima com barité

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Gemas escondidas na descoberta de materiais: Curando nosso
clima com barité
Muitos materiais inovadores encontram suas origens como gemas redescobertas enterradas nas profundezas
dos arquivos empoeirados, e a barita pode ser uma delas.
Ilustração de Daniela Guzmán Angel
Ao ensinar química de materiais, eu sempre peço aos meus alunos que expliquem em algumas frases como
certos materiais mudaram nosso mundo. Alguns dos meus favoritos incluem a sílica em comunicações de fibra
óptica, silício em microeletrônica, nitreto de gálio em LEDs e óxido de cobalto de lítio em baterias, para citar
alguns. Embora possa ser tentador imaginar esses materiais como o produto da engenharia de precisão e do
design direcionado, muitos desses materiais inovadores encontram suas origens como gemas redescobertas
enterradas nas profundezas dos arquivos empoeirados.
Depois disso, um relatório recente me inspirou a incluir barite, ou BaSO 4, para a minha lista de materiais antigos,
mas revolucionários. Tradicionalmente usado na refeição de bário, uma suspensão radio-opaca consumida antes
de exames de raios-X ou tomografia computadorizada dos tratos digestivos, a barita tem o potencial de diminuir
as contribuições para as mudanças climáticas urbanas, apresentando uma alternativa não-poderada ao ar
condicionado: resfriamento radiativo passivo.
Em comparação, a maioria das tecnologias de resfriamento usadas na infinidade de aplicações modernas são
baseadas em sistemas de expansão de compressão Joule-Thompson, que são notórios por seu uso de
refrigerantes de gases de efeito estufa, custos de energia e emissões de CO2. Os efeitos desses sistemas caros
só aumentarão com o aumento das populações e o aquecimento global, à medida que o número de sistemas de
ar condicionado deverá aumentar de 1,2 bilhão nos dias atuais para 4,5 bilhões até 2050. Grande parte do
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c02368
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crescimento ocorrerá em cidades onde os aumentos de temperatura são mais pronunciados devido ao efeito da
ilha de calor urbana.
Sem intervenção, espera-se que a expansão da atual tecnologia de resfriamento contribua com mais 167
gigatoneladas de emissões de CO2 até 2050, consuma uma fração importante do suprimento global de energia e
cause aquecimento global de 0,5oC até 2100, impulsionando um ciclo vicioso de aumento de emissões, aumento
das temperaturas e maiores demandas de resfriamento.
Reimpresso com permissão da Nature Springer ? Sociedade de Pesquisa de Materiais, 2020
Agora é aí que a barita entra na história como a ponta de lança para uma nova geração de materiais eficientes
de resfriamento radiativo diurno (PDRC) passivos. Esses materiais são eficientes devido às suas propriedades
ópticas - a baixa absortividade e a alta refletividade na faixa de comprimento de onda espectral solar minimizam
a captação de calor, e a alta emissividade nos comprimentos de onda mais capazes de penetrar na "janela
atmosférica" maximiza o potencial de resfriamento.
As principais métricas de desempenho de materiais que tornam a barita uma escolha ideal incluem seu bandga
eletrônico ultravioleta profundo para baixa absorção e aquecimento solar e frequência de fônico de 9 micrômetros
para alta emissividade na janela do céu para alto resfriamento. A distribuição de tamanho de partícula pode ser
adaptada para otimizar sua refletividade e emissividade, e potência média de resfriamento em 97,6%, 0,96 e 117
W/m 22, dentro de uma distância impressionante do máximo possível 100%, 1, e 150 2W/m2, respectivamente. O
titular 60 vol% BaSO 4 /acrílico tem uma refletividade de 98,1% e emissividade de 0,95, tornando-se um
candidato para uma pintura PDRC.
Sob condições ideais com atmosfera seca, a potência de resfriamento radiante máxima possível da barita a 20-
30oC é de impressionantes 150 W/m 2 e 100W/m2 a 0oC, com o primeiro proporcionando uma redução de
temperatura na faixa de 4-10oC.
Apesar desses valores encorajadores, o material tem um calcanhar de Achille: água. As taxas de resfriamento
são impedidas sob atmosfera úmido devido a uma redução na transmissão em bandas de absorção de água. Por
exemplo, em níveis de umidade acima de 60%, descobriu-se que a energia de resfriamento caiu abaixo de 50 W
/ m 22.
Acontece que as propriedades PDRC de filmes de partículas de barita e tintas de partículas-polímero chegam
perto de alcançar os efeitos ideais de absorção, reflexão e emissão, tornando-se um candidato sério para
resfriamento radiativo de uma faixa de superfícies a temperaturas sub-ambientes.
Apesar da perspectiva promissora do barito, isso não significa que a implementação generalizada deva ser
iniciada sem uma análise econômica e ambiental abrangente dos benefícios de revestimento do PDRC em uma
https://www.nature.com/articles/s41467-019-09685-x
https://www.nature.com/articles/s41467-019-09685-x
https://www.cambridge.org/core/journals/mrs-energy-and-sustainability/article/passive-daytime-radiative-cooling-principle-application-and-economic-analysis/0F957C6DC0ACC7AAB39B38783384423C
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c02368
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base de aplicação por aplicativo. Isso envolve a avaliação da economia líquida nos custos de energia e
revestimento e a redução geral da pegada de CO 2 atribuída à substituição dos métodos tradicionais de
resfriamento, que variam de acordo com a geografia, os níveis de poluição e o clima local. Por exemplo, a
implementação de barita foi rigorosamente comprovadamente mais eficiente do que a PDRC, com redução de
emissões de CO2 e diminuição do gasto energético com resfriamento quando aplicado como revestimento para
telhados em comparação com telhados pintados de branco e convencionais.
Reimpresso com permissão da Nature Springer ? Sociedade de Pesquisa de Materiais, 2020
Uma e outra vez, sou ao mesmo tempo desampregado e inspirado pela engenhosidade na comunidade
científica. Embora a tendência na química moderna seja empregar aprendizado de máquina chamativo e
automação para agilizar a descoberta de novos materiais, não esqueçamos que às vezes nossas soluções estão
bem debaixo de nossos pés nas jóias escondidas de nossa história científica.
Roteiro: Geoffrey Ozin, Joel Loh e Jessica Ye
Grupo de Combustíveis Solares, Universidade de Toronto, Ontário, Canadá, E-mail: g.ozin-utoronto.ca, Sites:
www.nanowizard.info, www.solarfuels.utoronto.ca, www.artnanoinnovations.com
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https://www.cambridge.org/core/journals/mrs-energy-and-sustainability/article/passive-daytime-radiative-cooling-principle-application-and-economic-analysis/0F957C6DC0ACC7AAB39B38783384423C
https://www.advancedsciencenews.com/author/gozin/
https://undefined/mailto:g.ozin@utoronto.ca
http://www.nanowizard.info/
http://www.solarfuels.utoronto.ca/
http://www.artnanoinnovations.com/