Las propiedades aislantes de un material se pueden ajustar según se desee.



Los materiales cuyas propiedades electrónicas y magnéticas se pueden cambiar drásticamente mediante la aplicación de entradas eléctricas forman la columna vertebral de toda la electrónica moderna. Pero lograr el mismo tipo de control ajustable sobre la conductividad térmica de cualquier material ha sido una tarea difícil de lograr.

Hoy, un equipo de investigadores del MIT ha dado un gran paso adelante. Han diseñado un dispositivo muy buscado, que llaman una "válvula de calor eléctrica", que puede variar la conductividad térmica bajo demanda. Demostraron que la capacidad del material para conducir calor puede "ajustarse" por un factor de 10 a temperatura ambiente.

Esta técnica podría abrir la puerta a nuevas tecnologías para el aislamiento controlable en ventanas inteligentes, paredes inteligentes, ropa inteligente o incluso nuevas formas de obtener energía del calor residual.

Los resultados se informan hoy en el periódico. Materiales naturales, en un artículo de los profesores del MIT Bilge Yildiz y Gang Chen, los recién graduados Qiyang Lu PhD '18 y Samuel Huberman PhD '18, y otros seis en el MIT y el Brookhaven National Laboratory.

La conductividad térmica describe cómo se puede transferir calor a través de un material. Por ejemplo, esta es la razón por la cual puede agarrar fácilmente una sartén caliente con un mango de madera, debido a la baja conductividad térmica de la madera, pero podría quemarse al levantar una sartén similar con un mango de metal. , que tiene una alta conductividad térmica.

Los investigadores utilizaron un material llamado óxido de estroncio y cobalto (SCO), que puede convertirse en películas delgadas. Al agregar oxígeno al SCO en una forma cristalina llamada brownmillerita, la conductividad térmica aumentó. La adición de hidrógeno resultó en una disminución de la conductividad.

El proceso de agregar o eliminar oxígeno e hidrógeno se puede controlar simplemente variando el voltaje aplicado al material. En esencia, el proceso es impulsado por la electroquímica. En general, a temperatura ambiente, los investigadores descubrieron que este proceso resultó en una variación de diez veces la conducción térmica del material. Tal rango de orden de magnitud de variación controlable eléctricamente nunca antes se había visto en ningún material, dicen los investigadores.

En la mayoría de los materiales conocidos, la conductividad térmica es invariable: la madera nunca conduce bien el calor y los metales nunca conducen mal el calor. Como tal, cuando los investigadores descubrieron que la adición de ciertos átomos en la estructura molecular de un material en realidad podría aumentar su conductividad térmica, fue un resultado inesperado. En todo caso, agregar átomos adicionales o, más específicamente, iones, átomos despojados de ciertos electrones, o con electrones en exceso, para darles un carga neta: debería empeorar la conductividad (que se ha encontrado que es el caso al agregar hidrógeno, pero no oxígeno).

"Fue una sorpresa para mí cuando vi el resultado", dice Chen. Pero después de más estudios sobre el sistema, dice, "ahora tenemos una mejor comprensión" de la razón por la cual ocurre este fenómeno inesperado.

Resulta que la inserción de iones de oxígeno en la estructura de Brownmillerite SCO lo transforma en lo que se conoce como una estructura de perovskita, una estructura que tiene una estructura aún más ordenada que l & # 39; # 39, originales. "Va de una estructura con baja simetría a una estructura con alta simetría. También reduce la cantidad de sitios llamados defectos de deficiencia de oxígeno. Todo esto conduce a una mayor conducción térmica ”, dice Yildiz.

El calor se conduce fácilmente a través de estas estructuras altamente ordenadas, mientras que tiende a ser dispersado y disipado por estructuras atómicas muy irregulares. La introducción de iones de hidrógeno, por otro lado, provoca una estructura más desordenada.

"Podemos introducir más orden, lo que aumenta la conductividad térmica, o podemos introducir más desorden, lo que resulta en una conductividad más baja". Podríamos entender esto llevando a cabo el modelado por computadora, además de nuestros experimentos ", explica Yildiz.

Si bien la conductividad térmica puede variar alrededor de un factor de 10 a temperatura ambiente, a temperaturas más bajas la variación es aún mayor, agrega.

El nuevo método permite variar continuamente este grado de orden, en ambas direcciones, simplemente variando el voltaje aplicado al material en una capa delgada. El material se sumerge en un líquido iónico (esencialmente una sal líquida) o en contacto con un electrolito sólido, que suministra iones de oxígeno negativos o iones de hidrógeno positivos (protones) en el material cuando El voltaje está activado. En el caso del electrolito líquido, la fuente de oxígeno e hidrógeno es la hidrólisis del agua del aire ambiente.

"Lo que hemos mostrado aquí es realmente una demostración del concepto", dice Yildiz. El hecho de que requieren el uso de un medio electrolítico líquido para todo el rango de hidrogenación y oxigenación hace que esta versión del sistema « sea apenas aplicable a un dispositivo semiconductor & # 39; # 39; que sería el objetivo final, dijo. Se requerirá investigación adicional para producir una versión más práctica. "Sabemos que hay electrolitos en estado sólido" que teóricamente podrían reemplazar líquidos, dijo. El equipo continúa explorando estas posibilidades y también ha demostrado dispositivos para trabajar con electrolitos sólidos.

Chen dice que "hay muchas aplicaciones en las que desea regular el flujo de calor". Por ejemplo, para el almacenamiento de energía en forma de calor, por ejemplo, desde una instalación solar térmica, sería útil tener un contenedor que pudiera ser muy aislante para retener el calor hasta # 39 que es necesario, pero que luego podría cambiarse para que sea muy conductivo cuando llegue el momento de recuperar este calor. "El Santo Grial sería algo que podríamos usar para almacenar energía", dice. "Es el sueño, pero aún no hemos llegado".

Pero este descubrimiento es tan nuevo que también puede haber una variedad de otros usos potenciales. Este enfoque, dice Yildiz, "podría abrir nuevas aplicaciones que no habíamos pensado antes". Y aunque el trabajo se limitó inicialmente al material SCO, "el concepto es aplicable a otros materiales porque sabemos que podemos oxigenar o hidrogenar una gama de materiales eléctrica, electroquímicamente", dice. Además, aunque esta investigación se ha centrado en cambiar las propiedades térmicas, el mismo proceso también tiene otros efectos, dice Chen: "Cambia no solo la conductividad térmica, sino también las propiedades ópticas".

"Esta es una forma verdaderamente innovadora e innovadora de utilizar la inserción y extracción de iones en los sólidos para ajustar o cambiar la conductividad térmica", explica Juergen Fleig, profesor de tecnología química y análisis en la Universidad de Viena, Austria, que no participó en este trabajo. “Los efectos medidos (causados ​​por transiciones de dos fases) no solo son bastante significativos sino también bidireccionales, lo que está desapareciendo. También estoy impresionado de que los procesos funcionen tan bien a temperatura ambiente, ya que estos materiales oxidados generalmente se usan a temperaturas mucho más altas. "

Yongjie Hu, profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial de la Universidad de California en Los Ángeles, que tampoco participó en este trabajo, dijo: "El control activo del transporte térmico es fundamentalmente difícil. Este es un estudio muy emocionante y representa un paso importante para alcanzar la meta. Este es el primer informe que ha examinado en detalle las estructuras y propiedades térmicas de las fases de tres estados y podría abrir nuevos espacios para la gestión térmica y las aplicaciones de energía. "

El equipo de investigación también incluyó a Hantao Zhang, Qichen Song, Jayue Wang y Gulin Vardar en el MIT, y Adrian Hunt e Iradwikanari Waluyo en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Upton, Nueva York. El trabajo fue apoyado por la National Science Foundation y el Departamento de Energía de los Estados Unidos.

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