Исследователи из Школы инженерии и прикладных наук Университета Вирджинии (США) открыли способ создания универсального теплопроводника с перспективой создания более энергоэффективных электронных устройств, экологичных зданий и для освоения космоса. Об этом сообщает портал TechXplore. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Группа ученых из Университета Вирджинии показала в своем новом исследовании, что ранее известный материал – цирконат свинца, используемый в электронном оборудовании, можно использовать также в качестве терморегулятора, если привести его в сверхчистую форму. В таком варианте образуется новый класс материалов, который дает возможность превращать теплоизолятор в проводник и наоборот.
Подобное 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 таких суровых условий – это космос.
«Колебания температуры в космосе могут быть довольно сильными. Марсоход – яркий тому пример», – отметил Киумарс Ариана, один из авторов исследования.
Температура в местах, где действует марсоход, колеблется от +35 °C днем и до −125 °С ночью, а на полюсах Марса эти перепады еще больше. Чтобы электронные устройства работали в таких условиях, марсоход использует изоляционную коробку, нагреватели и радиаторы.
«Наш новый режим управления теплом значительно менее сложен и означает, что регулированием тепла управлять легче и быстрее. Там, где радиатору или изоляции требуется много времени, чтобы начать нагрев или охлаждение, твердотельный механизм будет действовать почти мгновенно, что также повышает безопасность конструкции», – подчеркнул Ариана.
Но и на Земле, многообещающие области применения включают более эффективное управление отоплением и охлаждением и в больших масштабах, таких как здания, и в небольших устройствах, таких как печатные платы для электроники. Меньше энергии означает более экологичные технологии и более низкие затраты.
Руководители данного исследования – профессор материаловедения Джон Илефельд и профессора инженерии Патрик Э. Хопкинс и Уитни Стоун из Университета Вирджинии изучают совершенствование свойств теплопроводности уже в течение десяти лет. Они открыли, что возможность перестройки теплопроводящих свойств уникальны для класса функциональных материалов, называемых сегнетоэлектриками.
«Сегнетоэлектрический материал подобен магниту, за исключением того, что вместо северного и южного полюсов у вас есть положительный и отрицательный заряд», – пояснил 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.
Смена полярности и расположение атомов в кристалле, которые поддерживают антисегнетоэлектрическую структуру, приводит к наблюдаемым и измеримым явлениям теплового рассеяния. Из этого следовало, что энергия рассеивается через материал способами, которые можно предсказать и контролировать.
«Обычно теплопроводность считается статическим свойством материала. Но если требуется превратить проводник тепла в изолятор, следует навсегда изменить его структуру или интегрировать его с новым материалом», – дополнил Хопкинс.
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 исследователей использовала антисегнетоэлектрический материал, в котором участвуют как тепло, так и напряжение.
«Мы пытались использовать коммерческий образец цирконата свинца для тестирования двунаправленной теплопроводности, но это не сработало», – рассказал Ариана.
Но затем Лейн Мартин, профессор материаловедения из Калифорнийского университета в Беркли, предоставил сверхчистый образец цирконата свинца. Используя этот образец, исследователи добились двунаправленного изменения теплопроводности на 38% за один всплеск, что стало крупным прорывом.
Для практического внедрения в будущие технологии, инженерам группы Илефельда-Хопкинса в дальнейших исследованиях потребуется более крупный переключатель, чтобы быстро перемещать или сохранять гораздо больший процент тепла. Другие 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.
Ранее мы сообщали, что ученым удалось создать новый лёгкий материал с невероятной прочностью.