Исследователи настраивают теплопроводность материалов «на лету»

Команда под руководством ученых и инженеров городов-побратимов Университета Миннесоты открыла новый метод настройки теплопроводности материалов для управления тепловым потоком «на лету». Их диапазон настройки является самым высоким среди когда-либо зарегистрированных одноэтапных процессов в этой области и откроет двери для разработки более энергоэффективных и долговечных электронных устройств.

Статья исследователей опубликованав Nature Communications, рецензируемом научном журнале, посвященном естественным наукам.

Подобно тому, как электропроводность определяет, насколько хорошо материал может переносить электричество, теплопроводность описывает, насколько хорошо материал может переносить тепло. Например, многие металлы, используемые для изготовления сковородок, обладают высокой теплопроводностью, поэтому они могут эффективно передавать тепло для приготовления пищи.

Обычно теплопроводность материала представляет собой постоянную, неизменную величину. Однако команда из Университета Миннесоты обнаружила простой процесс «настройки» этого значения в кобальтите лантана-стронция, материале, часто используемом в топливных элементах. Подобно тому, как переключатель контролирует подачу электричества к лампочке, метод исследователей позволяет включать и выключать тепловой поток в устройствах.

«Контроль того, насколько хорошо материал может передавать тепло, имеет большое значение в повседневной жизни и в промышленности», — сказал Сяоцзя Ван, соавтор исследования и доцент кафедры машиностроения Университета Миннесоты. «Благодаря этому исследованию мы добились рекордно высокого уровня теплопроводности, что дает надежду на эффективное управление температурным режимом и потребление энергии в электронных устройствах, которые люди используют каждый день. Хорошо спроектированная и функционирующая система управления температурным режимом обеспечит лучший пользовательский опыт и сделать устройства более долговечными».

Команда Вана работала в тандеме с заслуженным профессором Университета Макнайта из Университета Миннесоты Крисом Лейтоном, чья лаборатория специализируется на синтезе материалов.

Команда Лейтона изготовила устройства на основе лантана, стронция и кобальтита, используя процесс, называемый электролитным вентилированием, при котором ионы (молекулы с электрическим зарядом) выбрасываются на поверхность материала. Это позволило Ван и ее исследовательской группе манипулировать материалом, прикладывая к нему низкое напряжение.

«Электролитическое вентилирование — это чрезвычайно мощный метод управления свойствами материалов, который хорошо зарекомендовал себя для управления напряжением электронного, магнитного и оптического поведения», — сказал Лейтон, соавтор исследования и преподаватель Университета. Департамента химической инженерии и материаловедения Миннесоты. «Эта новая работа применяет этот подход в области тепловых свойств, где управление физическим поведением напряжения менее изучено. Наши результаты устанавливают маломощную, плавно настраиваемую теплопроводность во впечатляющем диапазоне, открывая некоторые довольно интересные потенциальные применения устройств. "

«Хотя было сложно измерить теплопроводность пленок лантана, стронция и кобальтита, поскольку они очень тонкие, было очень интересно, когда мы наконец приступили к экспериментам», — сказал Иньин Чжан, первый автор статьи и механик из Университета Миннесоты. Выпускник инженерного факультета. «Этот проект не только представляет собой многообещающий пример настройки теплопроводности материалов, но также демонстрирует мощные подходы, которые мы используем в нашей лаборатории, чтобы расширить экспериментальные пределы для сложных измерений».

Это исследование финансировалось в основном Национальным научным фондом через Центр исследований материалов и инженерии Университета Миннесоты (MRSEC). Часть исследований проводилась в Университетском центре характеристики и Миннесотском наноцентре.

Помимо Ванга, Лейтона и Чжана, в исследовательскую группу входил аспирант факультета машиностроения Университета Миннесоты Чи Чжан; исследователи факультета химической инженерии и материаловедения Университета Миннесоты Уильям Постильоне, Випул Чатурведи и Кей Хелтемес; исследователи из Университета Юты, Солт-Лейк-Сити Руй Се, Хао Чжоу и Тяньли Фэн; и физик Аргоннской национальной лаборатории Хуа Чжоу.