Pesquisadores ajustam condutividade térmica de materiais 'on the fly'

Uma equipe liderada por cientistas e engenheiros da Universidade de Minnesota Twin Cities descobriu um novo método para ajustar a condutividade térmica dos materiais para controlar o fluxo de calor "on the fly". Sua faixa de ajuste é a mais alta já registrada entre os processos de uma etapa no campo e abrirá uma porta para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos mais duráveis ​​e eficientes em termos de energia.

O artigo dos pesquisadores é publicadona Nature Communications, uma revista científica revisada por pares que cobre as ciências naturais.

Assim como a condutividade elétrica determina o quão bem um material pode transportar eletricidade, a condutividade térmica descreve o quão bem um material pode transportar calor. Por exemplo, muitos metais usados ​​para fazer frigideiras têm uma alta condutividade térmica para que possam transportar o calor de forma eficiente para cozinhar alimentos.

Normalmente, a condutividade térmica de um material é um valor constante e imutável. No entanto, a equipe da Universidade de Minnesota descobriu um processo simples para "ajustar" esse valor em cobaltita de lantânio e estrôncio, um material frequentemente usado em células de combustível. Semelhante à maneira como um interruptor controla o fluxo de eletricidade para uma lâmpada, o método dos pesquisadores fornece uma maneira de ligar e desligar o fluxo de calor em dispositivos.

"Controlar o quão bem um material pode transferir calor é de grande importância na vida diária e na indústria", disse Xiaojia Wang, co-autor correspondente do estudo e professor associado do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Minnesota. "Com esta pesquisa, alcançamos um ajuste recorde de condutividade térmica, mostrando a promessa de gerenciamento térmico eficaz e consumo de energia nos dispositivos eletrônicos que as pessoas usam todos os dias. Um sistema de gerenciamento térmico bem projetado e funcional permitiria uma melhor experiência do usuário e tornar os dispositivos mais duráveis."

A equipe de Wang trabalhou em conjunto com o distinto professor da McKnight University, Chris Leighton, da Universidade de Minnesota, cujo laboratório é especializado em síntese de materiais.

A equipe de Leighton fabricou os dispositivos de cobaltito de lantânio e estrôncio usando um processo chamado eletrólito gating, no qual os íons (moléculas com carga elétrica) são direcionados para a superfície do material. Isso permitiu que Wang e sua equipe de pesquisa manipulassem o material aplicando uma baixa voltagem a ele.

"Gatagem de eletrólito é uma técnica tremendamente poderosa para controlar as propriedades dos materiais e está bem estabelecida para controle de tensão de comportamento eletrônico, magnético e óptico", disse Leighton, co-autor correspondente do estudo e membro do corpo docente da Universidade. do Departamento de Engenharia Química e Ciência de Materiais de Minnesota. "Este novo trabalho aplica essa abordagem no domínio das propriedades térmicas, onde o controle de voltagem do comportamento físico é menos explorado. Nossos resultados estabelecem condutividade térmica de baixa potência e continuamente ajustável em uma faixa impressionante, abrindo algumas aplicações de dispositivos em potencial bastante interessantes. "

"Embora tenha sido um desafio medir a condutividade térmica dos filmes de lantânio e estrôncio cobaltita porque eles são muito finos, foi muito emocionante quando finalmente conseguimos fazer os experimentos funcionarem", disse Yingying Zhang, primeiro autor do artigo e especialista em mecânica da Universidade de Minnesota. ex-aluno de doutorado em engenharia. “Este projeto não apenas fornece um exemplo promissor de condutividade térmica de materiais de ajuste, mas também demonstra as abordagens poderosas que usamos em nosso laboratório para ultrapassar o limite experimental para medições desafiadoras”.

Esta pesquisa foi financiada principalmente pela National Science Foundation através do Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) da Universidade de Minnesota. Partes da pesquisa foram realizadas no Centro de Caracterização da Universidade e no Minnesota Nano Center.

Além de Wang, Leighton e Zhang, a equipe de pesquisa incluiu Chi Zhang, estudante de doutorado do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Minnesota; Os pesquisadores do Departamento de Engenharia Química e Ciência de Materiais da Universidade de Minnesota, William Postiglione, Vipul Chaturvedi e Kei Heltemes; Rui Xie, Hao Zhou e Tianli Feng, pesquisadores da Universidade de Utah, Salt Lake City; e o físico do Laboratório Nacional de Argonne, Hua Zhou.