Исследователи используют возможности новой твердотельной тепловой технологии

Исследователи из Школы инженерии и прикладных наук Университета Вирджинии открыли способ создания универсального теплопроводника с перспективой создания более энергоэффективных электронных устройств, экологичных зданий и освоения космоса.

Они продемонстрировали, что известный материал, используемый в электронном оборудовании, теперь можно использовать и в качестве терморегулятора, если он находится в очень чистой форме. Этот новый класс материалов дает инженерам возможность увеличивать или уменьшать теплопроводность по требованию, превращая теплоизолятор в проводник и наоборот.

Группа опубликовала свои выводы весной этого года в Nature Communications . Статья называется «Наблюдение твердотельного двунаправленного переключения теплопроводности в антисегнетоэлектрическом цирконате свинца».

Двунаправленное управление или «настройка» теплопроводящих материалов будет особенно полезно в электронике и устройствах, которые должны работать при экстремальных температурах или выдерживать экстремальные температурные колебания. Один из сценариев, в которых устройства должны работать в таких суровых условиях, — это космос.

«Колебания температуры в космосе могут быть довольно сильными», — сказал Киумарс Ариана, защитивший докторскую диссертацию. Этой весной он получил степень бакалавра машиностроения и аэрокосмической техники в Университете штата Вирджиния, а также является первым автором статьи в Nature Communications . «Этот тип технологии теплового транспорта может быть огромным преимуществом, поскольку мы создаем транспортные средства и устройства для исследования космоса».

«Марсоход — отличный пример», — сказала Ариана. Температура земли в местах посадки марсохода может достигать 70 градусов по Фаренгейту днем ​​и минус 146 градусов ночью. Чтобы электронные устройства работали при таких широких перепадах температур, марсоход использует изоляционную коробку и нагреватели, чтобы компоненты не замерзали, и радиаторы, чтобы предотвратить их возгорание.

«Этот новый режим управления теплом значительно менее сложен и означает, что регулированием тепла легче управлять — и быстрее. Там, где радиатору или изоляции требуется много времени, чтобы начать нагрев или охлаждение, твердотельный механизм будет почти мгновенным. Так как он не будет отставать от быстрых изменений температуры это делает вещи и более безопасными. Поскольку нагрев и охлаждение могут идти в ногу, вероятность того, что жара или холод вызовут неисправности или что еще хуже, уменьшаются», — сказала Ариана.

Между тем, здесь, на Земле, многообещающие области применения включают управление отоплением и охлаждением в больших масштабах, таких как здания, и в небольших масштабах, таких как печатные платы для электроники. Меньше энергии означает более экологичные технологии и более низкие затраты.

Это продвижение является продолжением давнего сотрудничества между Джоном Илефельдом, адъюнкт-профессором материаловедения и инженерии UVA Engineering, а также электротехники и вычислительной техники, и Патриком Э. Хопкинсом, профессором инженерии Уитни Стоун и профессором машиностроения и аэрокосмической техники и советником Арианы.

Команда Ihlefeld-Hopkins впервые в течение десяти лет использовала настраиваемую теплопроводность в кристаллических материалах, сначала в Sandia National Laboratories, а теперь в UVA.

Возможность перестройки уникальна для класса функциональных материалов, называемых сегнетоэлектриками, которыми занимается исследовательская группа Илефельда по многофункциональным тонкопленочным материалам.

«Сегнетоэлектрический материал похож на магнит, за исключением того, что вместо северного и южного полюсов у вас есть положительный и отрицательный заряд», — сказал Илефельд. Электрическое поле или напряжение при приложении к ферроэлектрическому материалу «переворачивает» полярность поверхности материала в противоположное состояние, где она остается до тех пор, пока не будет приложено противоположное напряжение.

«Обычно теплопроводность считается статическим свойством материала», — сказал Хопкинс. «Если вы хотите превратить теплопроводник в изолятор, вы должны навсегда изменить его структуру или интегрировать его с новым материалом».

Предыдущее исследование Илефельда и Хопкинса продемонстрировало, как снизить теплопроводность с помощью электрического поля и как интегрировать материал в устройство, чтобы повысить теплопроводность, но они не могли заставить один и тот же материал выполнять и то, и другое.

Для этого проекта команда использовала антисегнетоэлектрический материал, в котором участвуют как тепло, так и напряжение.

«Что делает этот интересный материал, помимо того, что он является высококачественным кристаллом, который имеет тенденции теплопроводности, такие как аморфное стекло, в дополнение к тому, что он является твердотельным, так это то, что он дает нам две уникальные возможности для изменения теплопроводности», — сказал Хопкинс. «Мы можем быстро нагреть кристалл лазером или применить напряжение для активной настройки теплопроводности и переноса тепла».

«Мы пытались использовать коммерческий образец цирконата свинца для тестирования двунаправленной теплопроводности, но это не сработало», — сказал Ариана. Лейн Мартин, профессор материаловедения и инженерии Канцлера и заведующий кафедрой Калифорнийского университета в Беркли, предоставил очень чистый образец цирконата свинца. «Используя образец Лейна, мы добились двунаправленного изменения теплопроводности на 38% за один всплеск, что является огромным скачком», — сказала Ариана.

Структуры антисегнетоэлектрических материалов по своей природе являются двунаправленными. В наименьшей повторяющейся единице кристаллической решетки одна половина имеет полярность, направленную вверх, а другая половина — вниз, так что положительные и отрицательные заряды компенсируют друг друга. При нагревании изменяется кристаллическая структура и антисегнетоэлектричество уходит, увеличивая теплопроводность. Приложение электрического поля делает обратное — оно заставляет материал превращаться в сегнетоэлектрик, и теплопроводность уменьшается. Полярность сети возвращается к нулю при снятии напряжения.

Смена полярности и расположение атомов в кристалле, которые поддерживают антисегнетоэлектрическую структуру, приводит к наблюдаемым и измеримым явлениям теплового рассеяния — что-то вроде тепловой сигнатуры — что означает, что энергия рассеивается через материал способами, которые можно предсказать и контролировать.

Члены исследовательской группы Хопкинса, занимающейся экспериментами и моделированием в области теплотехники, добились больших успехов в области лазерных измерений материалов. В статье Nature Communications представлена ​​инновация в экспериментах на основе оптической термометрии, в которых студенты использовали третий лазер, чтобы вызвать событие быстрого нагрева для модуляции антисегнетоэлектрической пленки посредством перехода от антисегнетоэлектрической к параэлектрической структуре, придавая ей способность поляризоваться под действием приложенное электрическое поле.

Чтобы повлиять на технологии, инженерам потребуется более крупный переключатель «вкл-выкл», чтобы быстро перемещать или сохранять гораздо больший процент тепла. Следующие шаги исследовательской группы включают в себя работу по более точному определению ограничений материала, чтобы они могли разработать новый материал с более высокими коэффициентами переключения, ускоряя использование материалов с активной настройкой теплопроводности.

Дополнительная информация: Киумарс Ариана и др., Наблюдение за твердотельным двунаправленным переключением теплопроводности в антисегнетоэлектрическом цирконате свинца (PbZrO3), Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-29023-y

 

Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов

hello@technovery.com