Brandweerlieden die brandende gebouwen binnengaan, atleten die strijden in de brandende zon en arbeiders in gieterijen kunnen uiteindelijk hun eigen, lichtgewicht koelunits mee, dankzij een nanodraadarray die koelt, volgens materiaalonderzoekers van Penn State.

"De meeste elektrocalorische keramische materialen bevatten lood, " zei Qing Wang, hoogleraar materiaalkunde en techniek. "We proberen geen lood te gebruiken. Conventionele koelsystemen gebruiken koelmiddelen die ook milieutechnisch problematisch kunnen zijn. Onze nanodraadarray kan zonder deze problemen koelen."

Elektrocalorische materialen zijn nanogestructureerde materialen die een omkeerbare temperatuurverandering vertonen onder een aangelegd elektrisch veld. Eerder beschikbare elektrocalorische materialen waren eenkristallen, bulkkeramiek of keramische dunne films die kunnen afkoelen, maar zijn beperkt omdat ze rigide zijn, breekbaar en slecht verwerkbaar. Ferro-elektrische polymeren kunnen ook afkoelen, maar het elektrische veld dat nodig is om koeling te induceren, ligt boven de veiligheidslimiet voor mensen.

Wang en zijn team keken naar het maken van een nanodraadmateriaal dat flexibel was, gemakkelijk te vervaardigen en milieuvriendelijk en kan afkoelen met een elektrisch veld dat veilig is voor menselijk gebruik. Zo'n materiaal zou ooit in brandbestrijdingsmiddelen kunnen worden verwerkt, atletische uniformen of andere wearables. Ze rapporteren hun resultaten in een recent nummer van Geavanceerde materialen .

Hun verticaal uitgelijnde ferro-elektrische barium-strontiumtitanaat-nanodraadarray kan ongeveer 5,5 graden Fahrenheit koelen met 36 volt, een elektrisch veldniveau dat veilig is voor mensen. Een batterijpakket van 500 gram ter grootte van een iPad zou het materiaal ongeveer twee uur van stroom kunnen voorzien.

De onderzoekers kweken het materiaal in twee fasen. Eerst, titaniumdioxide nanodraden worden gekweekt op met fluor gedoteerd tinoxide gecoat glas. De onderzoekers gebruiken een sjabloon zodat alle nanodraden loodrecht op het glasoppervlak en op dezelfde hoogte groeien. Vervolgens brengen de onderzoekers barium- en strontiumionen in de nanodraden van titaniumdioxide.

De onderzoekers brengen een nanoblad van zilver op de array aan om als elektrode te dienen.

Ze kunnen dit nanodraadbos van het glassubstraat naar elk gewenst substraat verplaatsen, inclusief kledingstof, met behulp van plakband.

"Deze lage spanning is goed genoeg voor bescheiden inspanning en het materiaal is flexibel, " zei Wang. "Nu moeten we een systeem ontwerpen dat een persoon kan koelen en de warmte die wordt gegenereerd bij koeling uit de directe omgeving kan verwijderen."

Dit solid-state persoonlijke koelsysteem kan op een dag de norm worden omdat het geen regeneratie van koelvloeistoffen vereist die de ozonlaag aantasten en het aardopwarmingspotentieel en het kan lichtgewicht en flexibel zijn.