Hot Stuff:Usædvanlig termisk diode udretter varme i begge retninger

Du kan mærke det på din bærbare computer og mobiltelefon. Det er bag dit køleskab og kontor kopimaskine. Selvom varme er ønskelig for apparater som en kaffemaskine, det kan bringe pålideligheden og sikkerheden af ​​elektroniske systemer i andre enheder i fare, forårsager for tidlig fejl i bedste fald og eksplosioner i værste fald.

Aktiv styring af varmetransport, som med termiske afbrydere og termiske dioder, er vigtig for en række anvendelser inden for varme og køling, energiomdannelse, forarbejdning af materialer, og datalagring. I praksis, termiske dioder er meget ønskelige termiske komponenter til mange tekniske applikationer, fordi de tillader energisystemer at overføre varme til udpegede områder og samtidig beskytte dem, når de omgivende temperaturer er for høje.

Sheng Shen, professor i maskinteknik ved Carnegie Mellon University, udforsker eksotiske termiske transportfænomener som termisk rektificering i sit laboratorium. Han ledede for nylig et forskerhold, der udviklede en usædvanlig termisk diode lavet af polyethylen (PE) nanofiber, der udbedrer varme i begge retninger ved at ændre arbejdstemperaturen. Dette er vigtigt, fordi man indtil nu har at opnå en stor og tilpasningsdygtig udbedringseffekt krævede en makroskala eller en stor temperaturforskydning. Resultaterne blev offentliggjort i Naturkommunikation.

Den nanoskala termiske diode, der er udviklet i dette arbejde, muliggør en rekordhøj termisk rektificeringseffekt ud over alle rapporterede eksperimentelle værdier for termisk ensretning i fast tilstand, og kræver kun en lille temperaturforskydning på mindre end 10 Kelvin.

For at fremstille denne dual-mode solid-state termiske diode, Xiao Luo, Ph.d. studerende og en medførende forfatter af papiret, tunet den krystallinske PE nanofiber med elektronstrålebestråling. I sin oprindelige tilstand, PE nanofiber ved en lav temperatur har høj varmeledningsevne, men dets ledningsevne falder betydeligt, efter at den har gennemgået en temperaturinduceret faseovergang omkring 450 grader Kelvin.

Luo bestrålede en del af PE -nanofiberen, reducere varmeledningsevne og flytte faseovergangstemperaturen lavere. Den resterende del af PE nanofiberen - den "uberørte" del - blev efterladt som i den oprindelige tilstand, skaber et uberørt bestrålet kryds.

"Som resultat, vi har et hetero-kryds, hvor de to dele af krydset har forskellige egenskaber, "sagde Luo. Fordi de uberørte og bestrålede dele undergår deres respektive faseovergange ved forskellige temperaturer, varmen kan korrigeres i begge retninger afhængigt af den specifikke temperatur. Dobbelttilstands termisk rektifikation kan potentielt bruges til at regulere varmestrømmen aktivt til avanceret termisk styring og energiomsætning-en rigtig spilskifter til en række industrielle og medicinske applikationer.

"Som avancerede termiske kontrolelementer, termiske dioder kan bruges til at beskytte temperaturfølsomme elektroniske eller biomedicinske enheder mod miljømæssige temperatursvingninger, "sagde Shen." For eksempel, nanofiber termodioder udviklet i dette arbejde er fuldstændigt biokompatible og fleksible. De kan potentielt bruges til at beskytte biologiske prøver eller biomedicinske enheder mod lokale varmestig og muliggøre præcisionstemperaturstabilisering baseret på dual-mode termisk rektificeringseffekt. "

Med titlen "Dual-Mode Solid-State Thermal Rectification, "papiret var en samarbejdsindsats mellem forskere ved Carnegie Mellon University, University of California i San Diego, University of Notre Dame, og Institute of Materials Research and Engineering. Udover Shen og Luo, Michael Bockstaller, professor i materialevidenskab og teknik, er medforfatter.