Elektrisk varmeventil:Strontium cobaltoxid tynd film ændrer termiske egenskaber med påført spænding

Materialer, hvis elektroniske og magnetiske egenskaber kan ændres væsentligt ved at anvende elektriske input, udgør rygraden i al moderne elektronik. Men at opnå den samme form for tunbar kontrol over varmeledningsevnen af ​​ethvert materiale har været en uhåndgribelig søgen.

Nu, et team af forskere ved MIT har taget et stort spring fremad. De har designet en længe søgt enhed, som de refererer til som en "elektrisk varmeventil, ", der kan variere den termiske ledningsevne efter behov. De påviste, at materialets evne til at lede varme kan "tunes" med en faktor 10 ved stuetemperatur.

Denne teknik kan potentielt åbne døren til nye teknologier til kontrollerbar isolering i smarte vinduer, smarte vægge, smart tøj, eller endda nye måder at høste energien fra spildvarme på.

Resultaterne rapporteres i dag i tidsskriftet Naturmaterialer , i et papir af MIT-professorerne Bilge Yildiz og Gang Chen, nyuddannede Qiyang Lu Ph.D. '18 og Samuel Huberman Ph.D. '18, og seks andre ved MIT og ved Brookhaven National Laboratory.

Termisk ledningsevne beskriver, hvor godt varme kan overføres gennem et materiale. For eksempel, det er grunden til, at du nemt kan tage en varm stegepande med et træhåndtag, på grund af træs lave varmeledningsevne, men du kan blive brændt af at tage en lignende stegepande med et metalhåndtag, som har høj varmeledningsevne.

Forskerne brugte et materiale kaldet strontium cobalt oxide (SCO), som kan laves i form af tynde film. Ved at tilsætte oxygen til SCO i en krystallinsk form kaldet brownmillerite, varmeledningsevnen øges. Tilsætning af brint fik ledningsevnen til at falde.

Processen med at tilføje eller fjerne ilt og brint kan styres ved blot at variere en spænding, der påføres materialet. I det væsentlige, processen er elektrokemisk drevet. Samlet set, ved stuetemperatur, forskerne fandt ud af, at denne proces gav en tidoblet variation i materialets varmeledning. En sådan størrelsesorden af ​​elektrisk kontrollerbar variation er aldrig set i noget materiale før, siger forskerne.

I de fleste kendte materialer, termisk ledningsevne er ufravigelig - træ leder aldrig varme godt, og metaller leder aldrig varme dårligt. Som sådan, da forskerne fandt ud af, at tilføjelse af visse atomer til et materiales molekylære struktur faktisk kunne øge dets varmeledningsevne, det var et uventet resultat. Hvis noget, tilføje de ekstra atomer – eller, mere specifikt, ioner, atomer strippet for nogle elektroner, eller med overskydende elektroner, at give dem en nettoopladning - bør gøre ledningsevnen værre (hvilket, det viste sig, var tilfældet ved tilsætning af brint, men ikke ilt).

"Det var en overraskelse for mig, da jeg så resultatet, " siger Chen. Men efter yderligere undersøgelser af systemet, han siger, "nu har vi en bedre forståelse" af, hvorfor dette uventede fænomen sker.

Det viser sig, at indsættelse af oxygenioner i strukturen af ​​brownmillerite SCO omdanner den til det, der er kendt som en perovskitstruktur - en, der har en endnu mere ordnet struktur end originalen. "Det går fra en struktur med lav symmetri til en struktur med høj symmetri. Det reducerer også mængden af ​​såkaldte ilttomgangsdefekter. Disse fører tilsammen til dens højere varmeledning, " siger Yildiz.

Varme ledes let gennem sådanne højt ordnede strukturer, mens det har en tendens til at blive spredt og spredt af meget uregelmæssige atomare strukturer. Introduktion af hydrogenioner, derimod forårsager en mere uordnet struktur.

"Vi kan indføre mere orden, som øger varmeledningsevnen, eller vi kan introducere mere uorden, hvilket giver anledning til lavere ledningsevne. Vi kunne finde ud af dette ved at udføre beregningsmodellering, ud over vores eksperimenter, " forklarer Yildiz.

Mens den termiske ledningsevne kan varieres med omkring en faktor 10 ved stuetemperatur, ved lavere temperaturer er variationen endnu større, tilføjer hun.

Den nye metode gør det muligt løbende at variere den grad af orden, i begge retninger, simpelthen ved at variere en spænding, der påføres tyndfilmsmaterialet. Materialet er enten nedsænket i en ionisk væske (i det væsentlige et flydende salt) eller i kontakt med en fast elektrolyt, der tilfører enten negative oxygenioner eller positive brintioner (protoner) til materialet, når spændingen er tændt. I tilfældet med flydende elektrolyt, kilden til ilt og brint er hydrolyse af vand fra den omgivende luft.

"Det, vi har vist her, er virkelig en demonstration af konceptet, " Yildiz forklarer. Det faktum, at de kræver brug af et flydende elektrolytmedium til hele spektret af hydrogenering og oxygenering, gør denne version af systemet "ikke let anvendelig til en enhed i fast tilstand, "hvilket ville være det ultimative mål, hun siger. Yderligere forskning vil være nødvendig for at producere en mere praktisk version. "Vi ved, at der er faststofelektrolytmaterialer", som teoretisk set kunne erstatte væskerne, hun siger. Teamet fortsætter med at udforske disse muligheder, og har også demonstreret fungerende enheder med faste elektrolytter.

Chen siger "der er mange applikationer, hvor du ønsker at regulere varmestrømmen." For eksempel, til energilagring i form af varme, fra et solvarmeanlæg, det ville være nyttigt at have en beholder, der kunne være meget isolerende for at holde på varmen, indtil den er nødvendig, men som så kunne ændres til at være stærkt ledende, når det bliver tid til at hente den varme. "Den hellige gral ville være noget, vi kunne bruge til energilagring, " siger han. "Det er drømmen, men vi er der ikke endnu."

Men denne opdagelse er så ny, at der også kan være en række andre potentielle anvendelser. Denne tilgang, Yildiz siger, "kunne åbne op for nye applikationer, vi ikke tænkte på før." Og mens arbejdet oprindeligt var begrænset til SCO-materialet, "konceptet er anvendeligt til andre materialer, fordi vi ved, at vi kan ilte eller hydrogenere en række materialer elektrisk, elektrokemisk", siger hun. selvom denne forskning fokuserede på at ændre de termiske egenskaber, den samme proces har faktisk også andre effekter, Chen siger:"Det ændrer ikke kun termisk ledningsevne, men det ændrer også optiske egenskaber."

"Dette er en virkelig innovativ og ny måde at bruge ionindsættelse og -ekstraktion i faste stoffer til at indstille eller skifte termisk ledningsevne, siger Jürgen Fleig, professor i kemisk teknologi og analyse ved universitetet i Wien, Østrig, som ikke var involveret i dette arbejde. "De målte effekter (forårsaget af to faseovergange) er ikke kun ret store, men også tovejs, som er spændende. Jeg er også imponeret over, at processerne fungerer så godt ved stuetemperatur, da sådanne oxidmaterialer normalt drives ved meget højere temperaturer."

Yongjie Hu, en lektor i mekanisk og rumfartsteknik ved University of California i Los Angeles, som heller ikke var involveret i dette arbejde, siger "Aktiv kontrol over termisk transport er grundlæggende udfordrende. Dette er en meget spændende undersøgelse og repræsenterer et vigtigt skridt for at nå målet. Det er den første rapport, der har set i detaljer på strukturerne og de termiske egenskaber af tre-statsfaser, og kan åbne op for nye steder for termisk styring og energianvendelser."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.