I ricercatori regolano la conduttività termica dei materiali "al volo"

Un team guidato da scienziati e ingegneri dell'Università del Minnesota Twin Cities ha scoperto un nuovo metodo per regolare la conduttività termica dei materiali per controllare il flusso di calore "al volo". La loro gamma di regolazione è la più alta mai registrata tra i processi a fase unica nel settore e aprirà la strada allo sviluppo di dispositivi elettronici più efficienti dal punto di vista energetico e durevoli.

Viene pubblicato il documento dei ricercatoriin Nature Communications, una rivista scientifica sottoposta a revisione paritaria che copre le scienze naturali.

Proprio come la conduttività elettrica determina quanto bene un materiale può trasportare l’elettricità, la conduttività termica descrive quanto bene un materiale può trasportare il calore. Ad esempio, molti metalli utilizzati per realizzare le padelle hanno un’elevata conduttività termica in modo che possano trasportare il calore in modo efficiente per cuocere il cibo.

Tipicamente, la conduttività termica di un materiale è un valore costante e immutabile. Tuttavia, il team dell’Università del Minnesota ha scoperto un semplice processo per “sintonizzare” questo valore nella cobaltite di lantanio stronzio, un materiale spesso utilizzato nelle celle a combustibile. Similmente al modo in cui un interruttore controlla il flusso di elettricità verso una lampadina, il metodo dei ricercatori fornisce un modo per accendere e spegnere il flusso di calore nei dispositivi.

"Controllare quanto bene un materiale può trasferire il calore è di grande importanza nella vita quotidiana e nell'industria", ha affermato Xiaojia Wang, co-autore corrispondente dello studio e professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell'Università del Minnesota. "Con questa ricerca, abbiamo raggiunto un livello record di conducibilità termica, promettendo un'efficace gestione termica e consumo energetico nei dispositivi elettronici che le persone utilizzano ogni giorno. Un sistema di gestione termica ben progettato e funzionante consentirebbe una migliore esperienza utente e rendere i dispositivi più durevoli."

Il team di Wang ha lavorato in tandem con Chris Leighton, illustre professore della McKnight University dell'Università del Minnesota, il cui laboratorio è specializzato nella sintesi dei materiali.

Il team di Leighton ha fabbricato i dispositivi lantanio stronzio cobaltite utilizzando un processo chiamato elettrolita gating, in cui gli ioni (molecole con una carica elettrica) vengono spinti sulla superficie del materiale. Ciò ha permesso a Wang e al suo gruppo di ricerca di manipolare il materiale applicandogli una bassa tensione.

"Il gating elettrolitico è una tecnica estremamente potente per controllare le proprietà dei materiali ed è ben consolidata per il controllo della tensione del comportamento elettronico, magnetico e ottico", ha affermato Leighton, co-autore corrispondente dello studio e membro della facoltà dell'Università. del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Scienza dei Materiali del Minnesota. "Questo nuovo lavoro applica questo approccio nel campo delle proprietà termiche, dove il controllo della tensione del comportamento fisico è meno esplorato. I nostri risultati stabiliscono una conduttività termica a bassa potenza e continuamente sintonizzabile su un intervallo impressionante, aprendo alcune potenziali applicazioni dei dispositivi piuttosto interessanti. "

"Sebbene sia stato impegnativo misurare la conduttività termica delle pellicole di lantanio stronzio cobaltite perché sono così ultrasottili, è stato piuttosto emozionante quando finalmente siamo riusciti a far funzionare gli esperimenti", ha affermato Yingying Zhang, primo autore dell'articolo e meccanico dell'Università del Minnesota. alunno del dottorato di ingegneria. "Questo progetto non solo fornisce un esempio promettente di messa a punto della conduttività termica dei materiali, ma dimostra anche i potenti approcci che utilizziamo nel nostro laboratorio per spingere il limite sperimentale per misurazioni impegnative."

Questa ricerca è stata finanziata principalmente dalla National Science Foundation attraverso il Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) dell'Università del Minnesota. Parti della ricerca sono state condotte presso la Characterization Facility dell'Università e il Minnesota Nano Center.

Oltre a Wang, Leighton e Zhang, il gruppo di ricerca comprendeva Chi Zhang, dottorando del Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell'Università del Minnesota; I ricercatori del Dipartimento di ingegneria chimica e scienza dei materiali dell'Università del Minnesota William Postiglione, Vipul Chaturvedi e Kei Heltemes; I ricercatori dell'Università dello Utah, Salt Lake City, Rui Xie, Hao Zhou e Tianli Feng; e Hua Zhou, fisico dell'Argonne National Laboratory.