Je voelt het op je laptop en mobiele telefoon. Het bevindt zich achter uw koelkast en kopieerapparaat op kantoor. Terwijl warmte wenselijk is voor apparaten zoals een koffiezetapparaat, het kan de betrouwbaarheid en veiligheid van elektronische systemen in andere apparaten in gevaar brengen, veroorzaakt in het gunstigste geval voortijdige uitval en in het slechtste geval explosies.

Actieve regeling van warmtetransport, zoals bij thermische schakelaars en thermische diodes, is belangrijk voor een scala aan toepassingen in verwarming en koeling, energie conversie, materiaal verwerking, en gegevensopslag. In praktijk, thermische diodes zijn zeer wenselijke thermische componenten voor veel technische toepassingen, omdat ze energiesystemen in staat stellen warmte over te dragen naar aangewezen gebieden, terwijl ze ook worden beschermd wanneer de omgevingstemperaturen te hoog zijn.

Sheng-Shen, een professor in werktuigbouwkunde aan de Carnegie Mellon University, onderzoekt exotische thermische transportfenomenen zoals thermische rectificatie in zijn laboratorium. Hij leidde onlangs een onderzoeksteam dat een ongebruikelijke thermische diode ontwikkelde van polyethyleen (PE) nanovezel die warmte in beide richtingen corrigeert door de werktemperatuur te veranderen. Dit is belangrijk omdat tot nu toe het bereiken van een groot en aanpasbaar rectificatie-effect vereiste een macroschaalgrootte of een grote temperatuurafwijking. De bevindingen zijn gepubliceerd in Natuur Communicatie.

De thermische diode op nanoschaal die in dit werk is ontwikkeld, maakt een record hoog thermisch rectificatie-effect mogelijk dat verder gaat dan alle gerapporteerde experimentele waarden voor thermische rectificatie in vaste toestand, en vereist slechts een kleine temperatuurafwijking van minder dan 10 Kelvin.

Om deze dual-mode solid-state thermische diode te fabriceren, Xiao Luo, doctoraat student en een co-hoofdauteur van het papier, de kristallijne PE-nanovezel afgestemd met bestraling met elektronenstralen. In originele staat, PE-nanovezel bij een lage temperatuur heeft een hoge thermische geleidbaarheid, maar de geleidbaarheid ervan neemt aanzienlijk af nadat het een temperatuurgeïnduceerde faseovergang van ongeveer 450 graden Kelvin ondergaat.

Luo bestraalde een deel van de PE-nanovezel, het verminderen van de thermische geleidbaarheid en het verlagen van de faseovergangstemperatuur. Het resterende deel van de PE-nanovezel - het "ongerepte" deel - bleef in de oorspronkelijke staat, het creëren van een ongerepte bestraalde kruising.

"Als resultaat, we hebben een heterojunctie, waarbij de twee delen van de kruising verschillende eigenschappen hebben, " zei Luo. Omdat de ongerepte en bestraalde delen hun respectieve faseovergangen ondergaan bij verschillende temperaturen, warmte kan in beide richtingen worden gerectificeerd, afhankelijk van de specifieke temperatuur. De dual-mode thermische rectificatie kan mogelijk worden gebruikt om de warmtestroom actief te regelen voor geavanceerd thermisch beheer en energieconversie - een echte gamechanger voor een reeks industriële en medische toepassingen.

"Als geavanceerde thermische regelelementen, thermische diodes kunnen worden gebruikt om temperatuurgevoelige elektronische of biomedische apparaten te beschermen tegen omgevingstemperatuurschommelingen, "zei Shen. "Bijvoorbeeld, de thermische diodes van nanovezels die in dit werk zijn ontwikkeld, zijn volledig biocompatibel en flexibel. Ze kunnen mogelijk worden gebruikt om biologische monsters of biomedische apparaten te beschermen tegen lokale hittepieken en nauwkeurige temperatuurstabilisatie mogelijk te maken op basis van het dual-mode thermische rectificatie-effect."

Getiteld "Dual-Mode Solid-State Thermische Rectificatie, " de paper was een samenwerking tussen onderzoekers van de Carnegie Mellon University, Universiteit van Californië in San Diego, Universiteit van Notre-Dame, en het Institute of Materials Research and Engineering. Naast Shen en Luo, Michael Bockstaller, hoogleraar materiaalkunde en techniek, is co-auteur.