Các nhà nghiên cứu khai thác sức mạnh của một công nghệ nhiệt thể rắn mới
bởi Karen Walker, Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Đại học Virginia
[Vui lòng đăng ký trang Youtube của Pacific Group tại
https://www.youtube.com/channel/UCAxje1GxiUpZD6MEcR0f5Jg/videos
Chúng tôi có các buổi chia sẻ về kinh doanh thực tế hàng tuần]
Sự biến đổi pha cấu trúc trong PZO dựa trên các kích thích điện và nhiệt. a) Bản đồ không gian đối ứng của phản xạ PbZrO3 440 / 280O và DyScO3 332O thể hiện sự phát triển biểu mô và sự hiện diện của các miền ferroelastic trong phim biểu mô. b) Đáp ứng từ trễ trường phân cực-điện trường đối với màng PbZrO3 hình trục cho thấy chuyển mạch phản điện. c) Mẫu XRD 2θ-ω cho màng PbZrO3 đa tinh thể. d) Ảnh hiển vi điện tử tán xạ ngược phân luồng-tương phản của màng PbZrO3 đa tinh thể. Các mũi tên chỉ ra vị trí của các miền sắt dẻo được phân giải rõ ràng. e) Biểu đồ pha của chì zirconate titanate (PbZr1 − xTixO3, PZT) được tạo lại từ ref. 27. f) Giản đồ của sự định hướng lưỡng cực qua chuyển tiếp pha từ phản điện trở sang sắt điện (AFE-to-FE) và phản điện tử sang phản điện môi (AFE-sang-PE). Nhà cung cấp hình ảnh: Kiumars Aryana và cộng sự, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038 / s41467-022-29023-y
Các nhà nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng của Đại học Virginia đã phát hiện ra cách tạo ra một chất dẫn nhiệt đa năng, hứa hẹn cho các thiết bị điện tử, công trình xanh và thám hiểm không gian tiết kiệm năng lượng hơn.
Họ đã chứng minh rằng một vật liệu đã biết được sử dụng trong thiết bị điện tử giờ đây cũng có thể được sử dụng như một chất điều chỉnh nhiệt khi nó ở dạng rất tinh khiết. Loại vật liệu mới này cung cấp cho các kỹ sư khả năng làm cho độ dẫn nhiệt tăng hoặc giảm theo yêu cầu, thay đổi chất cách nhiệt thành chất dẫn điện và ngược lại.
Nhóm nghiên cứu đã công bố phát hiện của mình vào đầu mùa xuân này trên tạp chí Nature Communications. Bài báo có tiêu đề "Quan sát sự chuyển đổi độ dẫn nhiệt hai chiều ở trạng thái rắn trong Zirconate chì chống điện."
Điều khiển hai chiều hoặc "điều chỉnh" vật liệu dẫn nhiệt sẽ đặc biệt hữu ích trong các thiết bị điện tử và thiết bị cần hoạt động ở nhiệt độ khắc nghiệt hoặc chịu được sự dao động nhiệt độ khắc nghiệt. Một trong những kịch bản mà các thiết bị cần thực hiện trong những điều kiện khắc nghiệt đó là không gian.
Kiumars Aryana, người đã lấy bằng Tiến sĩ, cho biết: “Sự dao động nhiệt độ trong không gian có thể khá dữ dội. trong kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ tại UVA vào mùa xuân này và là tác giả đầu tiên của bài báo Nature Communications. "Loại công nghệ vận chuyển nhiệt này có thể là một lợi thế to lớn khi chúng tôi chế tạo các phương tiện và thiết bị để khám phá không gian."
Aryana nói: “Mars rover là một ví dụ tuyệt vời. Nhiệt độ mặt đất tại các điểm hạ cánh máy bay có thể lên tới 70 độ F vào ban ngày và âm 146 độ vào ban đêm. Để giữ cho các thiết bị điện tử hoạt động thông qua sự thay đổi nhiệt độ rộng này, rover dựa vào hộp cách nhiệt và lò sưởi để giữ cho các thành phần không bị đóng băng và bộ tản nhiệt để ngăn chúng cháy lên.
"Chế độ quản lý nhiệt mới này về cơ bản ít phức tạp hơn và có nghĩa là điều tiết nhiệt dễ quản lý hơn — và nhanh hơn. Trong trường hợp bộ tản nhiệt hoặc vật liệu cách nhiệt mất nhiều thời gian để bắt đầu sưởi ấm hoặc làm mát, cơ chế trạng thái rắn sẽ gần như ngay lập tức. Có thể Aryana cho biết để theo kịp với sự thay đổi nhiệt độ nhanh chóng cũng giúp mọi thứ an toàn hơn. Vì hệ thống sưởi và làm mát có thể theo kịp nên khả năng nhiệt hoặc lạnh gây ra trục trặc — hoặc tệ hơn — sẽ giảm xuống, ”Aryana nói.
Trong khi đó, ở đây trên Trái đất, các ứng dụng đầy hứa hẹn bao gồm quản lý hệ thống sưởi và làm mát trên quy mô lớn, như các tòa nhà và quy mô nhỏ, như bảng mạch cho thiết bị điện tử. Ít năng lượng hơn tương đương với công nghệ xanh hơn và chi phí thấp hơn.
Tiến bộ này tiếp tục sự hợp tác lâu dài giữa Jon Ihlefeld, phó giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật của UVA Engineering, và kỹ thuật điện và máy tính, và Patrick E. Hopkins, Giáo sư kỹ thuật Whitney Stone, giáo sư cơ khí và hàng không vũ trụ và cố vấn của Aryana.
Nhóm Ihlefeld-Hopkins đã đi tiên phong trong việc dẫn nhiệt có thể điều chỉnh được trong các vật liệu tinh thể trong suốt một thập kỷ, đầu tiên là tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia và bây giờ là tại UVA.
Khả năng điều chỉnh là duy nhất cho một loại vật liệu chức năng được gọi là sắt điện tử, một đặc sản của nhóm nghiên cứu màng mỏng đa chức năng của Ihlefeld.
Ihlefeld cho biết: “Một vật liệu sắt điện giống như một nam châm, ngoại trừ thay vì cực bắc và nam, bạn có điện tích âm và dương,” Ihlefeld nói. Một điện trường hay còn gọi là điện áp, khi được đặt vào vật liệu sắt điện, làm "đảo" cực của bề mặt vật liệu về trạng thái ngược lại của nó, ở đó nó vẫn duy trì cho đến khi đặt một điện áp ngược lại.
Hopkins nói: “Thông thường, độ dẫn nhiệt được coi là một đặc tính của vật liệu tĩnh. "Nếu bạn muốn thay đổi một chất dẫn nhiệt thành chất cách điện, bạn phải thay đổi vĩnh viễn cấu trúc của nó hoặc tích hợp nó với một vật liệu mới."
Nghiên cứu trước đây của Ihlefeld và Hopkins đã chứng minh cách làm giảm độ dẫn nhiệt bằng điện trường và cách tích hợp vật liệu trong để làm cho độ dẫn nhiệt tăng lên, nhưng chúng không thể làm cho cùng một vật liệu làm được cả hai điều này.
Đối với dự án này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng vật liệu phản điện lạnh, trong đó nhiệt và điện áp đều có tác dụng.
"Vật liệu thú vị này làm được gì, ngoài việc là một tinh thể chất lượng cao có xu hướng dẫn nhiệt như thủy tinh vô định hình, ngoài việc ở trạng thái rắn, nó còn mang lại cho chúng ta hai nút bấm độc đáo để thay đổi độ dẫn nhiệt", Hopkins nói. "Chúng tôi có thể nhanh chóng đốt nóng tinh thể bằng tia laser hoặc áp dụng điện áp để chủ động điều chỉnh độ dẫn nhiệt và vận chuyển nhiệt."
Aryana cho biết: “Chúng tôi đã cố gắng sử dụng một mẫu chì zirconate thương mại để kiểm tra khả năng dẫn nhiệt hai chiều, nhưng nó không hoạt động. Lane Martin, Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu của Chancellor và chủ nhiệm khoa tại Đại học California Berkeley, đã cung cấp một mẫu chì zirconate cực kỳ tinh khiết. Aryana cho biết: “Sử dụng mẫu của Lane, chúng tôi đã đạt được 38% sự thay đổi hai chiều về độ dẫn nhiệt trong một lần nổ, đây là một bước nhảy vọt lớn.
Cấu trúc vật liệu phản điện có tính chất hai hướng. Trong đơn vị lặp lại nhỏ nhất của mạng tinh thể, một nửa có cực hướng lên và nửa còn lại hướng xuống sao cho các điện tích âm và dương triệt tiêu lẫn nhau. Khi bị nung nóng, cấu trúc tinh thể thay đổi và tính phản điện mất đi, làm tăng khả năng dẫn nhiệt. Áp dụng điện trường làm ngược lại - nó làm cho vật liệu biến đổi thành chất sắt điện và độ dẫn nhiệt giảm. Cực tính thuần trở về 0 khi loại bỏ điện áp.
Sự đảo lộn trong phân cực và sự sắp xếp của các nguyên tử trong tinh thể hỗ trợ cấu trúc phản điện dẫn đến các sự kiện tán xạ nhiệt có thể quan sát và đo lường được — một cái gì đó giống như một dấu hiệu nhiệt — có nghĩa là năng lượng khuếch tán qua vật liệu theo những cách có thể được dự đoán và kiểm soát.
Các thành viên của các thí nghiệm và mô phỏng của Hopkins trong nhóm nghiên cứu kỹ thuật nhiệt đã đạt được nhiều tiến bộ trong việc đo đạc vật liệu bằng laser. Bài báo Nature Communications trình bày một sự đổi mới trong các thí nghiệm dựa trên nhiệt kế quang học, trong đó học sinh sử dụng tia laser thứ ba để tạo ra sự kiện gia nhiệt nhanh chóng để điều chỉnh màng phản điện tử thông qua sự chuyển đổi từ cấu trúc phản điện tử sang cấu trúc điện môi, tạo cho nó khả năng trở nên phân cực dưới một điện trường áp dụng.
Để tạo ra tác động đến công nghệ, các kỹ sư sẽ cần một công tắc "bật-tắt" lớn hơn để di chuyển nhanh chóng hoặc lưu trữ một phần trăm nhiệt lớn hơn nhiều. Các bước tiếp theo của nhóm nghiên cứu bao gồm làm việc để xác định rõ hơn các hạn chế của vật liệu, để họ có thể thiết kế một vật liệu mới với tỷ lệ chuyển mạch cao hơn, đẩy nhanh việc sử dụng các vật liệu dẫn nhiệt có thể điều chỉnh tích cực.
