Zoogdieren zweten om de lichaamstemperatuur te reguleren, en onderzoekers van de Shanghai Jiao Tong University in China onderzoeken of onze telefoons hetzelfde kunnen doen. In een studie gepubliceerd op 22 januari in het tijdschrift Joule , de auteurs presenteren een coating voor elektronica die waterdamp afgeeft om warmte af te voeren van draaiende apparaten - een nieuwe methode voor thermisch beheer die zou kunnen voorkomen dat elektronica oververhit raakt en koeler blijft in vergelijking met bestaande strategieën.

"De ontwikkeling van micro-elektronica stelt hoge eisen aan efficiënte thermische beheerstechnieken, omdat alle componenten stevig zijn verpakt en chips erg heet kunnen worden, " zegt senior auteur Ruzhu Wang, die koeltechniek studeert aan de Shanghai Jiao Tong University. "Bijvoorbeeld, zonder een effectief koelsysteem, onze telefoons kunnen een systeemstoring hebben en onze handen verbranden als we ze lange tijd gebruiken of een grote applicatie laden."

Grotere apparaten zoals computers gebruiken ventilatoren om de temperatuur te regelen. Echter, ventilatoren zijn omvangrijk, luidruchtig, en energieverslindend en dus niet geschikt voor kleinere apparaten zoals mobiele telefoons. Fabrikanten gebruiken Phase Change Materials (PCM's), zoals wassen en vetzuren, voor koeling in telefoons. Deze materialen kunnen warmte absorberen die door apparaten wordt geproduceerd wanneer ze smelten. Echter, de totale hoeveelheid uitgewisselde energie tijdens de vast-vloeistof overgang is relatief laag.

In tegenstelling tot, de vloeistof-dampovergang van water kan 10 keer de energie uitwisselen in vergelijking met die van PCM vast-vloeistofovergang. Geïnspireerd door het zweetmechanisme van zoogdieren, Wang en zijn team bestudeerden een groep poreuze materialen die vocht uit de lucht konden opnemen en bij verhitting waterdamp konden afgeven. Onder hen, metaalorganische raamwerken (MOF's) waren het meest veelbelovend omdat ze een grote hoeveelheid water konden opslaan en dus meer warmte konden afvoeren bij verwarming.

"Eerder, onderzoekers hebben geprobeerd MOF's te gebruiken om water uit de woestijnlucht te halen, ", zegt Wang. "Maar MOF's zijn nog steeds erg duur, dus grootschalige toepassing is niet echt praktisch. Ons onderzoek toont aan dat elektronica-koeling een goede real-life toepassing van MOF's is. We gebruikten minder dan 0,3 gram materiaal in ons experiment, en het verkoelende effect dat het produceerde was aanzienlijk."

Het team selecteerde een type MOF's genaamd MIL-101(Cr) voor het experiment vanwege het goede waterabsorberende vermogen en de hoge gevoeligheid voor temperatuurveranderingen. Ze bedekten drie aluminiumplaten van 16 vierkante centimeter met MIL-101 (Cr) van verschillende diktes:198, 313, en 516 micrometer, respectievelijk - en verwarmde ze op een hete plaat.

Het team ontdekte dat de MIL-101Cr-coating de temperatuurstijging van de platen kon vertragen, en het effect nam toe met de laagdikte. Terwijl een ongecoate plaat na 5,2 minuten 60°C bereikte, de dunste coating verdubbelde de tijd en bereikte pas na 11,7 minuten dezelfde temperatuur. De plaat met de dikste coating bereikte 60°C na 19,35 minuten verhitten.

"Naast effectieve koeling, MIL-101 (Cr) kan snel herstellen door vocht weer te absorberen zodra de warmtebron is verwijderd, net zoals zoogdieren rehydrateren en klaar zijn om weer te zweten, " Zegt Wang. "Dus, deze methode is echt geschikt voor apparaten die niet altijd actief zijn, zoals telefoons, opladen van batterijen en telecommunicatiebasisstations, die soms overbelast kan raken."

Om het verkoelende effect van MIL-101(Cr) op daadwerkelijke apparaten te onderzoeken, Wang en zijn team testten een gecoat koellichaam op een microcomputerapparaat. In vergelijking met een ongecoat koellichaam, de gecoate versie verlaagde de temperatuur van de chip tot 7°C wanneer het apparaat gedurende 15 minuten onder zware belasting werd gebruikt.

Ergens naar uitkijken, het team is van plan om de thermische geleidbaarheid van het materiaal te verbeteren. "Als al het water weg is, de gedroogde coating zal een weerstand worden die de warmteafvoer van apparaten beïnvloedt ", zegt eerste auteur Chenxi Wang. Het opnemen van warmtegeleidende additieven zoals grafeen in het materiaal kan helpen het probleem aan te pakken, hij zegt.

Voordat fabrikanten dit koelsysteem op onze telefoons kunnen installeren, kosten is een groot probleem, zegt Ruzhu Wang. "Door MOF's een praktische toepassing te vinden, we hopen de marktvraag naar hen te vergroten en meer onderzoek naar MOF's aan te moedigen om de kosten te verlagen."