Materialen waarvan de elektronische en magnetische eigenschappen aanzienlijk kunnen worden veranderd door elektrische inputs toe te passen, vormen de ruggengraat van alle moderne elektronica. Maar het was een ongrijpbare zoektocht om dezelfde soort afstembare controle over de thermische geleidbaarheid van elk materiaal te bereiken.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van MIT heeft een grote sprong voorwaarts gemaakt. Ze hebben een lang gezocht apparaat ontworpen, die ze een "elektrische verwarmingsklep, " die de thermische geleidbaarheid op aanvraag kunnen variëren. Ze toonden aan dat het vermogen van het materiaal om warmte te geleiden bij kamertemperatuur met een factor 10 kan worden "afgestemd".

Deze techniek kan mogelijk de deur openen naar nieuwe technologieën voor regelbare isolatie in slimme ramen, slimme muren, slimme kleding, of zelfs nieuwe manieren om de energie van restwarmte te winnen.

De bevindingen worden vandaag gerapporteerd in het tijdschrift Natuurmaterialen , in een paper van MIT-professoren Bilge Yildiz en Gang Chen, recent afgestudeerden Qiyang Lu Ph.D. '18 en Samuel Huberman Ph.D. '18, en zes anderen aan het MIT en aan het Brookhaven National Laboratory.

Thermische geleidbaarheid beschrijft hoe goed warmte door een materiaal kan worden overgedragen. Bijvoorbeeld, het is de reden waarom je gemakkelijk een hete koekenpan met een houten handvat kunt oppakken, vanwege de lage thermische geleidbaarheid van hout, maar je kunt je verbranden als je een soortgelijke braadpan met een metalen handvat oppakt, die een hoge thermische geleidbaarheid heeft.

De onderzoekers gebruikten een materiaal genaamd strontiumkobaltoxide (SCO), die kan worden gemaakt in de vorm van dunne films. Door zuurstof toe te voegen aan SCO in een kristallijne vorm genaamd brownmilleriet, thermische geleidbaarheid verhoogd. Door er waterstof aan toe te voegen nam de geleidbaarheid af.

Het proces van het toevoegen of verwijderen van zuurstof en waterstof kan eenvoudig worden geregeld door een spanning op het materiaal te variëren. In essentie, het proces wordt elektrochemisch aangedreven. Algemeen, op kamertemperatuur, de onderzoekers ontdekten dat dit proces een tienvoudige variatie in de warmtegeleiding van het materiaal opleverde. Een dergelijke orde van grootte van elektrisch regelbare variatie is nog nooit eerder in enig materiaal gezien, zeggen de onderzoekers.

In de meeste bekende materialen, thermische geleidbaarheid is onveranderlijk - hout geleidt de warmte nooit goed, en metalen geleiden warmte nooit slecht. Als zodanig, toen de onderzoekers ontdekten dat het toevoegen van bepaalde atomen aan de moleculaire structuur van een materiaal de thermische geleidbaarheid ervan kon verhogen, het was een onverwacht resultaat. Als iets, het toevoegen van de extra atomen - of, specifieker, ionen, atomen ontdaan van enkele elektronen, of met overtollige elektronen, om ze een nettolading te geven - zou de geleidbaarheid slechter moeten maken (wat, het bleek, was het geval bij het toevoegen van waterstof, maar geen zuurstof).

"Het was een verrassing voor mij toen ik het resultaat zag, " zegt Chen. Maar na verdere studies van het systeem, hij zegt, "nu hebben we een beter begrip" waarom dit onverwachte fenomeen zich voordoet.

Het blijkt dat het inbrengen van zuurstofionen in de structuur van de brownmilleriet SCO het transformeert in wat bekend staat als een perovskietstructuur - een structuur die een nog beter geordende structuur heeft dan het origineel. "Het gaat van een structuur met lage symmetrie naar een structuur met hoge symmetrie. Het vermindert ook de hoeveelheid zogenaamde zuurstofvacature-defectlocaties. Deze leiden samen tot een hogere warmtegeleiding, ' zegt Yildiz.

Warmte wordt gemakkelijk geleid door zulke sterk geordende structuren, terwijl het de neiging heeft te worden verspreid en verdreven door zeer onregelmatige atomaire structuren. Introductie van waterstofionen, daarentegen, zorgt voor een meer wanordelijke structuur.

"We kunnen meer orde introduceren, wat de thermische geleidbaarheid verhoogt, of we kunnen meer wanorde introduceren, wat leidt tot een lagere geleidbaarheid. We kunnen dit achterhalen door computationele modellering uit te voeren, naast onze experimenten, ' legt Yildiz uit.

Hoewel de thermische geleidbaarheid bij kamertemperatuur met ongeveer een factor 10 kan worden gevarieerd, bij lagere temperaturen is de variatie nog groter, zij voegt toe.

De nieuwe methode maakt het mogelijk om die mate van ordening continu te variëren, in beide richtingen, eenvoudig door een op het dunnefilmmateriaal aangelegde spanning te variëren. Het materiaal is ofwel ondergedompeld in een ionische vloeistof (in wezen een vloeibaar zout) of in contact met een vast elektrolyt, die ofwel negatieve zuurstofionen of positieve waterstofionen (protonen) in het materiaal levert wanneer de spanning wordt ingeschakeld. In het geval van vloeibare elektrolyt, de bron van zuurstof en waterstof is hydrolyse van water uit de omringende lucht.

"Wat we hier hebben laten zien, is echt een demonstratie van het concept, " Yildiz legt uit. Het feit dat ze het gebruik van een vloeibaar elektrolytmedium vereisen voor het volledige bereik van hydrogenering en oxygenatie, maakt deze versie van het systeem "niet gemakkelijk toepasbaar op een volledig solid-state apparaat, "wat het uiteindelijke doel zou zijn, ze zegt. Verder onderzoek zal nodig zijn om tot een meer praktische versie te komen. "We weten dat er elektrolytmaterialen in vaste toestand zijn" die in theorie de vloeistoffen zouden kunnen vervangen, ze zegt. Het team blijft deze mogelijkheden onderzoeken, en hebben ook werkende apparaten met vaste elektrolyten gedemonstreerd.

Chen zegt:"Er zijn veel toepassingen waarbij je de warmtestroom wilt regelen." Bijvoorbeeld, voor energieopslag in de vorm van warmte, zoals van een thermische zonne-installatie, het zou handig zijn om een ​​container te hebben die sterk isolerend kan zijn om de warmte vast te houden totdat het nodig is, maar die dan kan worden geschakeld om zeer geleidend te zijn wanneer het tijd is om die warmte terug te winnen. "De heilige graal zou iets zijn dat we zouden kunnen gebruiken voor energieopslag, "zegt hij. "Dat is de droom, maar we zijn er nog niet."

Maar deze bevinding is zo nieuw dat er ook een verscheidenheid aan andere mogelijke toepassingen kan zijn. Deze aanpak, Yildiz zegt, "zou nieuwe toepassingen kunnen openen waar we eerder niet aan hadden gedacht." En hoewel het werk aanvankelijk beperkt was tot het SCO-materiaal, "het concept is toepasbaar op andere materialen, omdat we weten dat we een reeks materialen elektrisch kunnen oxygeneren of hydrogeneren, elektrochemisch", zegt ze. hoewel dit onderzoek zich richtte op het veranderen van de thermische eigenschappen, hetzelfde proces heeft ook andere effecten, Chen zegt:"Het verandert niet alleen de thermische geleidbaarheid, maar het verandert ook optische eigenschappen."

"Dit is een echt innovatieve en nieuwe manier om ionen-invoeging en -extractie in vaste stoffen te gebruiken om de thermische geleidbaarheid af te stemmen of te veranderen, " zegt Jürgen Fleig, een professor in chemische technologie en analyse aan de Universiteit van Wenen, Oostenrijk, die niet bij dit werk betrokken was. "De gemeten effecten (veroorzaakt door twee faseovergangen) zijn niet alleen vrij groot, maar ook bidirectioneel, die uitstapt. Ik ben ook onder de indruk dat de processen zo goed werken bij kamertemperatuur, aangezien dergelijke oxidematerialen gewoonlijk bij veel hogere temperaturen worden gebruikt."

Yongjie Hu, een universitair hoofddocent mechanische en ruimtevaarttechniek aan de Universiteit van Californië in Los Angeles, die ook niet bij dit werk betrokken was, zegt:"Actieve controle over thermisch transport is een fundamentele uitdaging. Dit is een zeer opwindende studie en vertegenwoordigt een belangrijke stap om het doel te bereiken. Het is het eerste rapport dat in detail is gekeken naar de structuren en thermische eigenschappen van driefasenfasen, en kan nieuwe locaties openen voor thermisch beheer en energietoepassingen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.