Atualizado 13 de abril de 2026
Em feito inédito cientistas descreveram que fônons de calor podem se mover no sentido inverso, fluir do frio para o quente como se fosse água em um encanamento, ao desvendar o transporte hidrodinâmico de calor.
A Pesquisa foi publicada na Revista Physical Review Letters.
Estaríamos prestes a criar processadores que ‘expulsam’ o calor de forma ativa, refrigeradores ultra econômicos e o domínio do transporte de calor eficiente, redesenhando os limites do uso da energia térmica?
A seguir veremos como os pesquisadores alcançaram a “Física do Impossível”, ao desvendar como que fônons de calor podem fluir do frio para o quente sob uma fluidez hidrodinâmica, e as consequências deste imprevisto. Em texto, imagens e vídeos.
Vídeo 1: Fônos: Partículas de Som
Vídeo 2: A Primeira Foto Do Calor: Cientistas Registram Vibrações Atômicas Reais
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Descoberta pode revolucionar a refrigeração de supercomputadores, os processos térmicos nas indústrias, os sistemas de refrigeração, a captação e uso da energia solar térmica, e outros
Tudo o que você aprendeu sobre o calor pode estar incompleto. Na escola, a regra é clara: o quente sempre aquece o frio.
Mas na fronteira da física teórica, as regras mudam. Cientistas descreveram que os fônons — as partículas de vibração do calor — comportando-se como água em um fluxo hidrodinâmico, fluindo do frio para o quente sob condições específicas.
Não é mágica, é engenharia quântica de precisão.
Além disso, eles descreram o processo em um sistema de equação elegante para o transporte hidrodinâmico de calor.
Estamos falando de uma violação aparente (mas explicada pela hidrodinâmica quântica) da Segunda Lei da Termodinâmica em escalas microscópicas.
Essa descoberta pode revolucionar a refrigeração de supercomputadores, os processos térmicos nas indústrias, os sistemas de refrigeração, a captação e uso da energia solar térmica, e outros.
Dizer que o calor flui do frio para o quente como “água em um encanamento” é a analogia perfeita para explicar o regime hidrodinâmico dos fônons.
Significa dizer que estamos precisamente em uma nova fronteira da gestão térmica: o momento em que deixamos de “abafar” o calor e passamos a “guiá-lo”.
Em 2020, uma equipe da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, descobriu uma nova forma de propagação do calor e desenvolveu uma descrição do transporte de calor hidrodinâmico mais adequada para simulações em computador.
Mas a interpretação física dos componentes da temperatura permanecia obscura. Agora eles superaram essa deficiência.
“Nosso objetivo era substituir a descrição numérica por uma analítica, onde o transporte de calor hidrodinâmico pode ser descrito por uma função real na qual você insere variáveis e obtém uma solução exata,” explicou Enrico Di Lucente, membro da equipe.
“Ter uma função não só facilita a resolução do problema, como também permite obter uma compreensão física mais profunda, pois você vê como cada variável física contribui para o resultado.”
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Vídeo 1: Fônos: Partículas de Som
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No regime de transporte hidrodinâmico de calor a condução de calor é mediada pelo movimento de fônons, quando os fônons se propagam em um material sem perder seu momento no processo
Conforme os autores, experimentos recentes despertaram um interesse renovado e convincente na hidrodinâmica de fônons, um regime de transporte de calor similar a um fluido em canos.
Ao contrário do transporte de calor difusivo comum, esse regime é governado principalmente por colisões de fônons que conservam o momento.
Na escala mesoscópica, ele pode ser descrito pelas equações de calor viscosas (ECVs), que se assemelham às equações de Navier-Stokes (ENSs) no regime laminar.
Quando pensamos em calor se propagando através de um material, geralmente imaginamos o transporte difusivo, um processo que transfere calor de uma região de alta temperatura para uma de baixa temperatura à medida que partículas e moléculas colidem umas com as outras, perdendo energia cinética no processo.
Mas em alguns materiais, o calor pode se propagar de uma maneira diferente, fluindo como água em um encanamento que – pelo menos em princípio – pode ser forçado a se mover em uma direção específica.
Esse segundo regime é chamado de transporte hidrodinâmico de calor.
A condução de calor é mediada pelo movimento de fônons , que são excitações coletivas de átomos em sólidos, e quando os fônons se propagam em um material sem perder seu momento no processo, ocorre a hidrodinâmica de fônons.
O fenômeno tem sido estudado teórica e experimentalmente há décadas, mas está se tornando mais interessante do que nunca para os experimentalistas, pois se destaca em materiais como o grafeno e pode ser explorado para direcionar o fluxo de calor em dispositivos eletrônicos e de armazenamento de energia.
Os cientistas do projeto MARVEL, do laboratório THEOS da EPFL, deram um grande passo em direção à modelagem e explicação da hidrodinâmica de fônons.
Sua nova descrição matemática facilita a testagem experimental do fenômeno e esclarece a física por trás dele.
Ela também aponta para um fenômeno peculiar que pode surgir com o transporte hidrodinâmico, no qual o calor pode fluir em sentido inverso, de uma região mais fria para uma mais quente.
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Vídeo 2: A Primeira Foto Do Calor: Cientistas Registram Vibrações Atômicas Reais
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Domínio elegante dos processos da hidrodinâmica dos fônons: A compressibilidade térmica e a vorticidade térmica
O ponto de partida do estudo são as equações de calor viscoso (VHE, na sigla em inglês), introduzidas em 2020 pelo grupo de Nicola Marzari na EPFL para fornecer uma descrição mesoscópica do transporte de calor hidrodinâmico mais adequada para simulações de dispositivos.
Embora as VHE possibilitem soluções numéricas práticas, a interpretação física dos componentes da temperatura não é imediatamente evidente.
“Nosso objetivo era substituir a descrição numérica por uma analítica, onde o transporte de calor hidrodinâmico possa ser descrito por uma função real, na qual você insere variáveis e obtém uma solução exata”, afirma o primeiro autor, Enrico Di Lucente, ex-membro do laboratório de Marzari na EPFL e atualmente na Universidade Columbia.
“Ter uma função não só facilita a resolução do problema, como também permite obter uma compreensão física mais profunda, pois você vê como cada variável física contribui para o resultado”.
Ao reescrever as equações VHE em duas equações biharmônicas modificadas (um tipo de equação diferencial parcial frequentemente usada para estudar fluxos), a equipe obteve uma solução totalmente analítica e a utilizou para demonstrar que, no regime hidrodinâmico, a temperatura surge de duas contribuições distintas:
1- Uma associada à compressibilidade térmica do fluxo e
2- Outra à sua vorticidade térmica.
“Essa é uma informação que não seria possível obter com um método numérico”, afirma Di Lucente.
A compressibilidade térmica, descrita formalmente neste estudo pela primeira vez, mede o quanto a densidade de energia dos fônons varia em resposta aos gradientes de temperatura, enquanto a vorticidade térmica expressa o movimento de rotação do fluido em torno de um ponto específico.
https://doi.org/10.1103/g9dx-hjyn .
Quando aplicadas à seção plana do grafite a uma temperatura de 70 K – muito abaixo da temperatura ambiente padrão – as equações mostram que um efeito pequeno, porém surpreendente, deve surgir.
“Ao injetar calor em pontos específicos, além da difusão térmica normal no centro, criam-se vórtices nas laterais que empurram o calor de volta das regiões frias para as quentes, um processo que chamamos de refluxo térmico. A resistência térmica no dispositivo, em outras palavras, torna-se negativa”.
A possibilidade de inserir um sistema como esse em produtos eletrônicos de consumo teria enormes aplicações; por exemplo, o gerenciamento térmico hidrodinâmico poderia ajudar a evitar o superaquecimento de baterias ou outros dispositivos.
“Estamos falando de apenas alguns graus Kelvin, um efeito muito pequeno”, diz Di Lucente. “Mas as equações não mentem, o efeito existe. Cabe a nós e aos experimentalistas estabilizá-lo o suficiente para torná-lo tecnologicamente viável”.
Isso provavelmente significaria usar um material diferente com uma temperatura hidrodinâmica mais alta, e as próprias funções desenvolvidas para este novo estudo podem nos guiar em direção às condições ideais.
“O que observamos é que quanto menos compressível for o fluido, maior será o refluxo”.
O fato de a compressibilidade e a vorticidade serem as variáveis fundamentais em jogo também aponta para possíveis extensões deste método.
“Enquanto na hidrodinâmica de fônons o fluxo é sempre compressível, os fluidos eletrônicos são normalmente descritos como incompressíveis”, diz Di Lucente.
“Mas existem condições especiais em que os fluxos de elétrons também podem ser compressíveis, como na plasmônica, e eles não são bem descritos pelas equações de transporte de elétrons. Nosso método é uma descrição generalizada do fluxo que pode ser aplicada a fônons, elétrons e até mesmo mágnons, que são excitações magnéticas coletivas de partículas”.
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Bibliografia
Curadoria Técnica e Análise Audiovisual: Conteúdo Bibliográfico e Audiovisual Selecionado e Validado por Dr. Sergio Almeida Loiola – CV Lattes/CNPq.
Revista Physical Review Letters
Vortices and Backflow in Hydrodynamic Heat Transport
DOI: doi.org/10.1103/g9dx-hjyn
Revista Science
Observation of second sound in graphite at temperatures above 100 K
DOI: 10.1126/science.aav3548
EPFL
Laboratório THEOS
Análise Audiovisual
Vídeo 1 Atech-Info: Fônos: Partículas de Som
Vídeo 2 Ciência News: A Primeira Foto Do Calor: Cientistas Registram Vibrações Atômicas Reais
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