Transporte de Calor em Dispositivos Baseados em Cristal Líquido Nemático

Resumo

Grande parte dos avanços tecnológicos das últimas décadas, no período conhecido como Terceira Revolução Industrial (Rifkin, 2021), deve-se ao desenvolvimento da microeletrônica, possibilitado pelos esforços da comunidade científica no estudo de fenômenos de transporte de energia elétrica. Entretanto, avanços análogos para o estabelecimento de circuitos térmicos com dispositivos capazes de controlar o fluxo de calor ainda apresentam diversos desafios em aberto (Wong et al., 2021), que ganham acentuada relevância diante dos obstáculos impostos pelas mudanças climáticas e pela crise energética atual. O presente trabalho investiga a retificação térmica para um modelo de diodos térmicos — dispositivos que conduzem calor preferencialmente em uma direção, análogos aos diodos eletrônicos convencionais — à base  de cristais líquidos nemáticos (CLN) confinados. Foi estabelecida uma abordagem analítica para resolver as equações que minimizam a densidade de energia elástica dos CLN (Ball, 2017) em termos do campo vetorial unitário da orientação média molecular, permitindo uma exploração sistemática do confinamento em geometrias com simetria azimutal. Em tal contexto, foi possível determinar o tensor de condutividade térmica do CLN confinado para cada geometria de interesse e investigamos os fenômenos de transporte de calor em diodos térmicos por meio da solução numérica da equação do calor, utilizando o método de elementos finitos. Por fim, apresentamos uma interpretação geométrica da retificação térmica ao investigar o análogo da condutividade térmica, abordagem que também abre uma nova possibilidade de estudo de modelos análogos gravitacionais em matéria condensada (Visser et al., 2002). O trabalho contribui para o estado da arte em diodos térmicos baseados em cristais líquidos nemáticos, ampliando a compreensão do funcionamento desses dispositivos ao explorar novos arranjos geométricos e apontar condições favoráveis para a otimização de sua retificação térmica (eficiência), o que potencializa o uso de cristais líquidos em circuitos térmicos para uma ampla gama de aplicações.