Учёные MIT и Brookhaven National Laboratory создали первый материал, теплопроводность которого можно управлять электрическим напряжением. Это открывает новые возможности для терморегулирования компонентов и тепловых накопителей.
Если электрические и магнитные свойства материалов давно поддаются регулировке, то тепловая проводимость долгое время считалась неизменным параметром, определяемым только природой вещества и конструкцией устройства. Международный коллектив исследователей впервые продемонстрировал материал, у которого теплопроводность можно контролировать напряжением через электрохимическую регулировку концентрации кислорода и протонов в оксиде.
Практическое применение
Возможности управляемой теплопроводности открывают несколько направлений использования. Один из вариантов — поддержание постоянной температуры компонентов за счёт модуляции теплового потока. Другой — создание теплоаккумулирующих контейнеров, которые могут переключаться между режимом теплоизоляции (удержание тепла) и режимом высокой теплопроводности (отдача накопленного тепла по требованию).
Выбранный материал и механизм действия
Для достижения двусторонней регулировки теплопроводности исследователи использовали оксид стронция и кобальта (SCO), который может быть создан в виде тонкой плёнки. Это соединение существует в двух структурных формах: коричневомиллериту (SrCoO2.5) и перовските (SrCoO3₋дельта).
При электрохимическом окислении коричневомиллерита до перовскита теплопроводность возрастала в 2,5 раза. Напротив, добавление водорода с образованием гидрированного SrCoO2.5 снижало теплопроводность примерно в четыре раза. В итоге общее изменение теплопроводности при комнатной температуре составило примерно 10 ± 4-кратный диапазон, причём при понижении температуры вариация становилась ещё больше.
Методика измерения
Для оценки теплопроводности применялась техника импульсной термоотражательности во временной области (TDTR), позволяющая измерять значения в широком диапазоне — от ~2000 Вт/(м·К) (как у алмаза и графита) до 0,03 Вт/(м·К) (как у аморфного дисульфида вольфрама WSe2).
Способ ввода кислорода и водорода
Для регулировки состава материала его погружали в ионную жидкость (по сути, жидкую соль) или приводили в контакт с твёрдым электролитом, который под действием напряжения поставляет в материал отрицательные ионы кислорода или положительные ионы водорода (протоны). В случае жидкого электролита источником кислорода и водорода служит гидролиз воды из окружающего воздуха.
Физический механизм
Первоначально было непонятно, почему добавление дополнительных атомов и ионов повышает, а не снижает теплопроводность. Обычно избыток дефектов в структуре приводит к рассеянию тепловой энергии из-за беспорядка решётки. Однако при окислении коричневомиллерита в перовскит происходит трансформация в более высокосимметричную структуру, чем исходная. Кроме того, уменьшается количество вакансий кислорода — дефектов структуры. Эти два фактора вместе обеспечивают рост теплопроводности. При добавлении водорода, напротив, увеличивается упорядоченность, но это происходит другим механизмом, приводящим к её снижению.
Перспективы и ограничения
Хотя концепция управляемой теплопроводности доказана, текущая реализация с использованием жидких электролитов не практична для большинства практических устройств. Исследователи подчеркнули, что представленная работа является демонстрацией принципа. Для перехода на твёрдотельные устройства необходимо развивать твёрдые электролиты, которые теоретически могут заменить жидкие среды. Это требует дальнейших исследований и разработок.
