Forscher passen die Wärmeleitfähigkeit von Materialien „on the fly“ an, um energieeffizientere Geräte zu ermöglichen

Ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern und Ingenieuren der University of Minnesota Twin Cities entdeckte eine neue Methode zur Abstimmung der Wärmeleitfähigkeit von Materialien, um den Wärmefluss „on the fly“ zu steuern. Ihr Abstimmbereich ist der höchste, der jemals bei einstufigen Prozessen auf diesem Gebiet gemessen wurde, und wird die Tür für die Entwicklung energieeffizienterer und langlebigerer elektronischer Geräte öffnen.

Die Arbeit der Forscher ist in veröffentlicht Naturkommunikation.

So wie die elektrische Leitfähigkeit bestimmt, wie gut ein Material Strom transportieren kann, beschreibt die Wärmeleitfähigkeit, wie gut ein Material Wärme transportieren kann. Beispielsweise verfügen viele Metalle, aus denen Bratpfannen hergestellt werden, über eine hohe Wärmeleitfähigkeit, sodass sie die Wärme zum Garen von Speisen effizient transportieren können.

Typischerweise ist die Wärmeleitfähigkeit eines Materials ein konstanter, unveränderlicher Wert. Das Team der University of Minnesota hat jedoch einen einfachen Prozess entdeckt, um diesen Wert in Lanthan-Strontium-Kobaltit, einem Material, das häufig in Brennstoffzellen verwendet wird, „abzustimmen“. Ähnlich wie ein Schalter den Stromfluss zu einer Glühbirne steuert, bietet die Methode der Forscher eine Möglichkeit, den Wärmefluss in Geräten ein- und auszuschalten.

„Die Kontrolle darüber, wie gut ein Material Wärme übertragen kann, ist im täglichen Leben und in der Industrie von großer Bedeutung“, sagte Xiaojia Wang, Mitautorin der Studie und außerordentliche Professorin an der Fakultät für Maschinenbau der University of Minnesota. „Mit dieser Forschung haben wir eine rekordverdächtige Optimierung der Wärmeleitfähigkeit erreicht, die ein effektives Wärmemanagement und einen effektiven Energieverbrauch in den elektronischen Geräten verspricht, die Menschen täglich nutzen. Ein gut konzipiertes und funktionierendes Wärmemanagementsystem würde ein besseres Benutzererlebnis ermöglichen.“ machen Geräte langlebiger.“

Wangs Team arbeitete mit Chris Leighton, Professor der Distinguished McKnight University der University of Minnesota, zusammen, dessen Labor auf Materialsynthese spezialisiert ist.

Leightons Team stellte die Lanthan-Strontium-Kobaltit-Geräte mithilfe eines Prozesses namens Elektrolyt-Gating her, bei dem Ionen (Moleküle mit einer elektrischen Ladung) an die Oberfläche des Materials getrieben werden. Dadurch konnten Wang und ihr Forschungsteam das Material manipulieren, indem sie eine niedrige Spannung anlegten.

„Elektrolyt-Gating ist eine äußerst leistungsstarke Technik zur Steuerung der Eigenschaften von Materialien und hat sich zur Spannungssteuerung des elektronischen, magnetischen und optischen Verhaltens bewährt“, sagte Leighton, Mitautor der Studie und Fakultätsmitglied der Universität des Minnesota Department of Chemical Engineering and Materials Science. „Diese neue Arbeit wendet diesen Ansatz im Bereich der thermischen Eigenschaften an, wo die Spannungssteuerung des physikalischen Verhaltens weniger erforscht ist. Unsere Ergebnisse belegen eine kontinuierlich einstellbare Wärmeleitfähigkeit bei geringem Stromverbrauch über einen beeindruckenden Bereich und eröffnen einige ziemlich aufregende potenzielle Geräteanwendungen.“ “

„Obwohl es eine Herausforderung war, die Wärmeleitfähigkeit von Lanthan-Strontium-Kobaltit-Filmen zu messen, weil sie so ultradünn sind, war es ziemlich aufregend, als wir die Experimente endlich zum Laufen brachten“, sagte Yingying Zhang, Erstautorin der Arbeit und Mechanikerin an der University of Minnesota Ingenieurwesen Ph.D. Absolvent. „Dieses Projekt ist nicht nur ein vielversprechendes Beispiel für die Abstimmung der Wärmeleitfähigkeit von Materialien, sondern demonstriert auch die leistungsstarken Ansätze, die wir in unserem Labor verwenden, um die experimentellen Grenzen für anspruchsvolle Messungen zu verschieben.“