Các nhà nghiên cứu phát triển chiến lược bền vững để điều khiển sự truyền nhiệt giữa các bề mặt cho các ứng dụng làm mát thân thiện với môi trường
của Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông
Nhiệt truyền từ chất nền rắn sang tinh thể xốp làm mát thụ động thông qua các bề mặt chứa đầy nước. Tín dụng: HKUST
Các nhà nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật của Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông (HKUST) đã phát triển một chiến lược bền vững và có thể kiểm soát để điều khiển sự truyền nhiệt giữa các bề mặt, mở đường cho việc cải thiện hiệu suất làm mát thân thiện với môi trường trong nhiều ứng dụng khác nhau như điện tử, các tòa nhà và tấm pin mặt trời.
Công trình nghiên cứu của nhóm có tiêu đề "Quan sát trực tiếp độ dẫn nhiệt có thể điều chỉnh được tại các bề mặt rắn của tinh thể rắn/xốp do chất hấp phụ nước tạo ra" gần đây đã được xuất bản trên tạp chí Nature Communications. Được dẫn dắt bởi Giáo sư Chu, nhóm nghiên cứu bao gồm Tiến sĩ của ông. các sinh viên Wang Guan, Fan Hongzhao và Li Jiawang, cũng như Phó Trưởng khoa Kỹ thuật Cơ khí và Hàng không Vũ trụ tại HKUST, Giáo sư Li Zhigang.
Khi nhu cầu về các giải pháp làm mát hiệu quả tiếp tục tăng do nhiệt độ toàn cầu tăng cao, các nhà khoa học trên toàn thế giới đã tích cực khám phá các công nghệ làm mát tiết kiệm năng lượng hiệu quả hơn. So với hệ thống làm mát chủ động hoàn toàn phụ thuộc vào mức tiêu thụ năng lượng để vận hành, hệ thống làm mát thụ động dựa trên các quy trình tự nhiên và nguyên tắc thiết kế để giảm nhiệt và duy trì nhiệt độ thoải mái với mức tiêu thụ năng lượng thấp hoặc không tiêu thụ năng lượng. Do đó, cách tiếp cận này đã thu hút được sự quan tâm rộng rãi của các nhà nghiên cứu do tính chất thân thiện với môi trường và đặc tính không dùng điện.
Một lĩnh vực nghiên cứu mới nổi là làm mát thụ động bằng cách sử dụng các khung kim loại-hữu cơ (MOF), là những vật liệu xốp có thể thu giữ hơi nước từ không khí và được sử dụng để tăng hiệu quả sử dụng năng lượng trong các ứng dụng làm mát không gian ở nhiệt độ phòng.
Tuy nhiên, MOF thường có độ dẫn nhiệt thấp, khiến chúng dẫn nhiệt kém. Hơn nữa, sự hiện diện của các phân tử nước bị hấp phụ trong MOF càng làm giảm tính dẫn nhiệt hiệu quả của chúng. Hạn chế này khiến cho việc điều khiển các đặc tính truyền nhiệt nội tại của MOF có rất ít chỗ để nâng cao hiệu suất làm mát của chúng.
Giáo sư Chu Y Quang (thứ hai bên phải), Trợ lý Giáo sư Kỹ thuật Cơ khí và Hàng không Vũ trụ tại HKUST và bằng Tiến sĩ. học sinh Fan Hongzhao (đầu tiên bên trái), Wang Guan (thứ hai bên trái) và Li Jiawang (đầu tiên bên phải). Tín dụng: HKUST
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới đã chuyển sự chú ý sang khả năng tản nhiệt bề mặt giữa MOF và vật liệu mà chúng tiếp xúc. Các phương pháp khác nhau, bao gồm sử dụng các lớp bám dính, cấu trúc nano, biến đổi hóa học và các lớp đơn tự lắp ráp, đã được sử dụng để tăng cường độ dẫn nhiệt bề mặt (ITC). Tuy nhiên, việc tổng hợp hoặc chế tạo các lớp đệm với khả năng kiểm soát nguyên tử chính xác là một nhiệm vụ đầy thách thức, hạn chế các ứng dụng tiềm năng của các phương pháp này.
Trong công việc tiên phong của mình, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Chu Yanguang từ Khoa Kỹ thuật Cơ khí và Hàng không Vũ trụ tại HKUST dẫn đầu đã giới thiệu một chiến lược bền vững và có thể kiểm soát được để điều khiển sự truyền nhiệt giữa các bề mặt giữa chất nền tiếp xúc và MOF điển hình bằng cách sử dụng quy trình hấp phụ nước.
Thông qua các phép đo phản xạ nhiệt miền tần số (FDTR) toàn diện và mô phỏng động lực phân tử (MD), họ đã chứng minh sự cải thiện đáng kể về ITC giữa chất nền tiếp xúc và MOF. ITC đã tăng từ 5,3 MW/m2K lên 37,5 MW/m2K, tăng khoảng 7,1 lần. Những cải tiến hiệu quả cũng được quan sát thấy trong các hệ thống Au/MOF khác.
Nhóm nghiên cứu cho rằng sự cải thiện này là do sự hình thành các kênh nước dày đặc được tạo điều kiện thuận lợi bởi các phân tử nước được hấp phụ trong MOF. Các kênh này đóng vai trò là đường dẫn nhiệt bổ sung, tăng cường đáng kể việc truyền năng lượng nhiệt qua các bề mặt.
Phân tích sâu hơn bằng phương pháp phân hủy trực tiếp miền tần số do nhóm nghiên cứu phát triển cho thấy nước bị hấp phụ không chỉ kích hoạt các rung động tần số cao mà còn làm tăng sự chồng chéo mật độ rung động của các trạng thái giữa chất nền và MOF, giúp tăng cường khả năng tiêu tán năng lượng nhiệt từ vật liệu. chất nền với MOF, làm nổi bật hiệu ứng cầu nối của các phân tử nước bị hấp phụ.
"Nghiên cứu đổi mới này không chỉ cung cấp những hiểu biết mới về sự truyền nhiệt qua MOF và các vật liệu khác mà còn hứa hẹn sẽ nâng cao hiệu suất của các ứng dụng làm mát liên quan đến MOF. Bằng cách tận dụng quá trình hấp phụ nước, nhóm của chúng tôi đã đạt được bước đột phá trong việc điều khiển nhiệt bề mặt chuyển giao, mở đường cho các công nghệ làm mát hiệu quả hơn”, giáo sư Chu cho biết.
