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大多数材料都有固定的导热能力,但对这种薄膜施加电压会极大地改变其热性能。

作者:David Chandler | MIT News Office

研究人员发现,锶钴氧化物(SCO)自然存在于一种叫做brownmillite(中心)的原子结构中,但当氧离子被添加到其中(右)时,它变得更有序、更导热,而当氢离子被添加到其中(左)时,它变得更不有序、更导热。

研究人员发现,锶钴氧化物(SCO)自然存在于一种叫做brownmillite(中心)的原子结构中,但当氧离子被添加到其中(右)时,它变得更有序、更导热,而当氢离子被添加到其中(左)时,它变得更不有序、更导热。

图片:研究人员提供

材料的电子和磁性能通过应用电输入而显著改变,形成了所有现代电子学的支柱。但是,对任何材料的热导率实现同样的可调控制一直是一个难以捉摸的探索。

现在,麻省理工学院的一个研究小组已经取得了重大进展。他们设计了一种长期以来一直在寻找的装置,他们称之为“电热阀”,可以根据需要改变热导率。他们证明,这种材料的导热能力在室温下可以“调节”10倍。

这项技术有可能为智能窗户、智能墙、智能服装、甚至是收集余热的新方法的可控隔热新技术打开大门。

这些发现发表在今天的《自然材料》杂志上,发表在麻省理工学院教授比尔奇·伊尔迪兹和陈刚、新近毕业的吕启阳博士和塞缪尔·休伯曼博士以及麻省理工学院和布鲁克海文国家实验室的其他六位教授的论文中。

热导率描述了热量在材料中的传递情况。例如,这就是为什么你可以很容易地拿起一个木柄的热煎锅,因为木头的导热性很低,但你可能会被烧伤,拿起一个类似的金属柄的煎锅,它具有很高的导热性。

研究人员使用了一种叫做锶钴氧化物(SCO)的材料,这种材料可以制成薄膜。通过向SCO中加入称为褐铁闪锌矿的晶体形式的氧气,热导率增加。加氢使电导率降低。

添加或去除氧和氢的过程可以简单地通过改变施加在材料上的电压来控制。本质上,这个过程是电化学驱动的。总的来说,在室温下,研究人员发现这个过程提供了材料热传导的十倍变化。研究人员说,这种电可控变化的数量级范围以前从未在任何材料中出现过。

在大多数已知的材料中,导热系数是不变的——木头导热不好,金属导热不差。因此,当研究人员发现在材料的分子结构中加入某些原子实际上可以提高其导热系数时,这是一个意想不到的结果。如果有什么不同的话,加入额外的原子——或者更具体地说,离子,原子剥离了一些电子,或者有多余的电子,给它们一个净电荷——会使导电性变差(事实证明,这是加入氢而不是氧时的情况)。

“当我看到结果时,我感到很惊讶,”陈说。但在进一步研究了这个系统之后,他说,“现在我们对为什么会发生这种意想不到的现象有了更好的理解”。

结果发现,将氧离子插入到褐铁闪锌矿SCO的结构中,可以将其转化为钙钛矿结构,这种结构比原来的结构更加有序。从低对称结构到高对称结构。它还减少了所谓的氧空位缺陷位点的数量。这些共同导致了它更高的热传导,”Yildiz说。

热很容易通过这种高度有序的结构传导,而它往往被高度不规则的原子结构散射和耗散。相比之下,引入氢离子会导致更无序的结构。

“我们可以引入更多的顺序,增加热导率,或者引入更多的无序,导致更低的热导率。除了实验之外,我们还可以通过计算建模来解决这个问题,”Yildiz解释道。

她补充说,虽然在室温下,热导率可以改变约10倍,但在较低的温度下,这种变化甚至更大。

新的方法使得在两个方向上通过改变施加在薄膜材料上的电压就可以连续地改变这种有序度。该材料要么浸入离子液体(本质上是一种液态盐)中,要么与固体电解质接触,当电压接通时,固体电解质向材料提供负氧离子或正氢离子(质子)。在液态电解质的情况下,氧和氢的来源是周围空气中的水的水解。

“我们在这里展示的是一个真正的概念演示,”Yildiz解释道。她说,他们需要使用液体电解质介质来进行全范围的氢化和氧化,这使得这种系统“不容易适用于全固态设备”,这将是最终的目标。还需要进一步的研究来制作一个更实用的版本。“我们知道有固态电解质材料”理论上可以替代液体,她说。该小组正在继续探索这些可能性,并演示了固体电解质的工作装置。

陈说:“有很多应用程序需要调节热流。”例如,对于以热的形式储存能量,比如从太阳能热装置中储存能量,有一个可以高度绝缘的容器来保持热量,直到需要时,但到了取回热量的时候,它可以被转换成高导电性。他说:“圣杯可以用来储存能量。”。“这是梦想,但我们还没有实现。”

但这一发现非常新,可能还有其他多种潜在用途。Yildiz说,这种方法“可以开辟我们以前没有想到过的新应用。”虽然这项工作最初局限于SCO材料,但她说:“这一概念适用于其他材料,因为我们知道我们可以在电、电化学上对一系列材料进行氧化或氢化。”。此外,虽然这项研究的重点是改变热学性质,但同样的过程实际上也有其他影响,陈说:“它不仅改变热导率,而且还改变光学性质。”

奥地利维也纳大学(University of Vienna,Austria)化学技术与分析学教授尤尔根·弗莱格(Juergen Fleig)表示:“这是一种利用固体中的离子插入和提取来调节或切换热导率的真正创新和新颖的方法。”。“测量的效应(由两个相变引起)不仅很大,而且是双向的,这是令人兴奋的。我还印象深刻的是,这种工艺在室温下工作得非常好,因为这种氧化物材料通常在更高的温度下工作。”

加州大学洛杉矶分校机械和航空航天工程副教授胡永杰(音译)也没有参与这项工作,他说:“对热传输的主动控制从根本上来说是一项挑战。这是一项非常令人兴奋的研究,是实现这一目标的重要一步。这是第一份详细研究了三态相结构和热特性的报告,可能会为热管理和能源应用开辟新的场所。”

该研究团队还包括麻省理工学院的张汉涛,宋其琛,王杰悦和古林·瓦尔达尔,以及纽约阿普顿布鲁克布鲁克国家实验室的阿德里安·亨特和伊拉德·卡纳里·瓦卢约。这项工作得到了美国国家科学基金会和美国能源部的支持。

原文链接:http://news.mit.edu/2020/materials-insulating-properties-can-be-tuned-at-will-0224

声明:本文由江苏贝朗新能源编译,中文内容仅供参考,一切内容以英文原版为准。


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