Forskare vid University of Virginia’s School of Engineering and Applied Sciences har upptäckt ett sätt att bygga en mångsidig värmeledare med löftet om mer energieffektiva elektroniska enheter, gröna byggnader och rymdutforskning.
De visade att det kända materialet som används i elektronisk utrustning kan användas som värmeregulator även när det redan är i en mycket ren form. Denna nya materialklass gör det möjligt för ingenjörer att öka eller minska värmeledningsförmågan efter behag, genom att ändra värmeisolatorn till en ledare och vice versa.
Teamet publicerade sina resultat tidigare i våras Naturens förbindelser: Observation av antiferroelektrisk bly i fast tillstånd tvåvägs värmeomkoppling i zirkonat.
Tvåvägskontroll eller “reglering” av värmeledande material kommer att vara särskilt användbar i elektronik och enheter som måste fungera vid extrema temperaturer eller motstå extrema temperaturfluktuationer. Ett av scenarierna där enheter måste fungera under så tuffa förhållanden är en lucka.
“Temperaturförändringar i rymden kan vara mycket intensiva,” sa Ph.D. i våras vid UVA om mekanisk och rymdteknik och är den första författaren till Nature Communications paper. “Den här typen av termisk transportteknik kan vara en stor fördel eftersom vi har utvecklat fordon och enheter för rymdutforskning.”
“Mars Rover är ett bra exempel,” sa Aryana. Vid roverlandningarna kan temperaturen nå 70 grader Fahrenheit på dagtid och minus 146 grader på natten. För att säkerställa att elektroniska enheter fungerar med dessa stora temperaturfluktuationer, förlitar rover sig på en isolerande låda och värmare för att skydda komponenterna från att frysa, och radiatorer för att förhindra brännskador.
”Det här nya sättet för värmereglering är betydligt mindre komplicerat och gör att regleringen av termisk reglering är enklare och snabbare. Den solida kroppsmekanismen kommer att vara nästan omedelbar när uppvärmning eller kylning av kylaren eller isolering krävs under lång tid. Att kunna hänga med i förändringarna gör också saker säkrare. Eftersom uppvärmning och kylning kan fortsätta minskar sannolikheten för att värme eller kyla orsakar funktionsfel – eller ännu värre –”, sa Aryana.
Samtidigt, här, är lovande användningsområden på jorden storskalig förvaltning som byggnader och småskalig förvaltning som kretskort för värme och kyla och elektronik. Mindre energi är lika med grönare teknik och lägre kostnader.
Dessa framsteg fortsätter det långvariga samarbetet mellan John Ihlefeld, UVA Engineerings docent i materialvetenskap och ingenjörsteknik samt el- och datateknik, och Patrick E. Hopkins, Whitney Stones professor i teknik, professor i mekanik, rymd- och teknik, och Aryanas konsult .
För första gången på ett decennium var Ihlefeld-Hopkins-teamet banbrytande för den justerbara värmeledningsförmågan hos kristallina material vid Sandia National Laboratories och nu vid UVA.
Tunability tillhör en klass av funktionella material som kallas ferroelektrik, som är specialiserad på Ihlefelds multifunktionella tunnskiktsforskningsgrupp.
“Ferroelektriskt material är som en magnet, men du har en positiv och negativ laddning istället för en nord- och sydpol,” sa Ihlefeld. När ett elektriskt fält eller spänning appliceras på ett ferroelektriskt material, “vänder det” polariteten på materialets yta tills den omvända spänningen appliceras.
“Typiskt sett anses värmeledningsförmåga vara en egenskap hos ett statiskt material,” sa Hopkins. “Om du vill ersätta en värmeledare med en isolator måste du ändra dess struktur permanent eller kombinera den med ett nytt material.”
Tidigare forskning av Ihlefeld och Hopkins har visat hur värmeledningsförmågan kan minskas av ett elektriskt fält och hur materialet kan integreras i en anordning för att öka värmeledningsförmågan, men båda har inte kunnat göra detsamma.
För detta projekt använde teamet ett antiferroelektriskt material som applicerade både värme och spänning.
“Vad som gör detta intressanta material är att det är en högkvalitativ kristall med termiska konduktivitetstrender som amorft glas, samtidigt som det är solidt, ger det oss två unika knappar för att ändra värmeledningsförmågan,” sa Hopkins. “Vi kan snabbt värma kristallen med en laser eller lägga på spänning för att aktivt reglera värmeledningsförmåga och värmeöverföring.”
“Vi försökte använda ett kommersiellt prov av blyzirkonat för att testa den tvåvägs värmeledningsförmågan, men det fungerade inte,” sa Aryana. Lane Martin, kanslersprofessor i materialvetenskap och teknik och avdelningschef vid University of California, Berkeley, presenterade ett exempel på extremt rent blyzirkonat. “Med hjälp av Lane-provet fick vi en 38% tvåvägsförändring i värmeledningsförmågan i en explosion, vilket är ett stort steg,” sa Aryana.
Antiferroelektriska materialstrukturer är till sin natur tvåvägs. I den minsta repetitionsenheten av ett kristallgitter har ena halvan en uppåtgående polaritet och den andra halvan en nedåtriktad polaritet, så att de positiva och negativa laddningarna tar ut varandra. Vid uppvärmning förändras kristallstrukturen och antiferroelektriskan ökar gradvis den termiska konduktiviteten. Appliceringen av ett elektriskt fält gör motsatsen – det gör att materialet blir ferroelektriskt och den termiska konduktiviteten minskar. När spänningen tas bort återgår nettopolariteten till noll.
Förändringen i polaritet och arrangemang av atomer i en kristall som stöder en anti-ferroelektrisk struktur leder till observerbara och mätbara termiska spridningshändelser – ungefär som en termisk signatur – vilket betyder att energi distribueras genom ett material på förutsägbara sätt. är kontrollerad.
Medlemmar av Hopkins experiment och simuleringar i Thermal Engineering Research Group har gjort många framsteg inom lasermätning av material. Nature Communications-artikeln introducerar en innovation i experiment baserade på optisk termometri, där eleverna använde en tredje laser för att skapa en snabb uppvärmningshändelse för att modulera den antiferroelektriska filmen genom en övergång från antiferroelektrisk till paraelektrisk struktur och ge den polarisationsförmåga. pålagt elektriskt fält.
För att påverka tekniken kommer ingenjörer att behöva en större på/av-brytare för att snabbt överföra eller lagra en större andel värme. Nästa steg för forskargruppen inkluderar att arbeta för att bättre definiera materialbegränsningar så att de kan designa nytt material med högre övergångsförhållanden genom att påskynda användningen av aktivt reglerade värmeledningsmaterial.
