I materiali le cui proprietà elettroniche e magnetiche possono essere modificate in modo significativo applicando input elettrici costituiscono la spina dorsale di tutta l'elettronica moderna. Ma ottenere lo stesso tipo di controllo sintonizzabile sulla conduttività termica di qualsiasi materiale è stata una ricerca sfuggente.

Ora, un team di ricercatori del MIT ha fatto un grande balzo in avanti. Hanno progettato un dispositivo a lungo cercato, che chiamano "valvola termica elettrica, " che può variare la conducibilità termica su richiesta. Hanno dimostrato che la capacità del materiale di condurre il calore può essere "regolata" di un fattore 10 a temperatura ambiente.

Questa tecnica potrebbe potenzialmente aprire la porta a nuove tecnologie per l'isolamento controllabile nelle finestre intelligenti, pareti intelligenti, abbigliamento intelligente, o anche nuovi modi di raccogliere l'energia del calore di scarto.

I risultati sono riportati oggi sulla rivista Materiali della natura , in un articolo dei professori del MIT Bilge Yildiz e Gang Chen, neolaureati Qiyang Lu Ph.D. '18 e Samuel Huberman Ph.D. '18, e altri sei al MIT e al Brookhaven National Laboratory.

La conduttività termica descrive quanto bene il calore può trasferirsi attraverso un materiale. Per esempio, è il motivo per cui puoi facilmente prendere in mano una padella calda con un manico di legno, a causa della bassa conducibilità termica del legno, ma potresti scottarti raccogliendo una padella simile con il manico di metallo, che ha un'elevata conduttività termica.

I ricercatori hanno utilizzato un materiale chiamato stronzio cobalto ossido (SCO), che può essere realizzato sotto forma di film sottili. Aggiungendo ossigeno a SCO in una forma cristallina chiamata brownmillerite, conducibilità termica aumentata. L'aggiunta di idrogeno ha causato la diminuzione della conduttività.

Il processo di aggiunta o rimozione di ossigeno e idrogeno può essere controllato semplicemente variando una tensione applicata al materiale. In sostanza, il processo è guidato elettrochimicamente. Globale, a temperatura ambiente, i ricercatori hanno scoperto che questo processo ha fornito una variazione di dieci volte nella conduzione del calore del materiale. Una tale gamma di ordini di grandezza di variazione elettricamente controllabile non è mai stata vista prima in nessun materiale, dicono i ricercatori.

Nei materiali più conosciuti, la conducibilità termica è invariabile:il legno non conduce mai bene il calore, e i metalli non conducono mai male il calore. Come tale, quando i ricercatori hanno scoperto che l'aggiunta di determinati atomi nella struttura molecolare di un materiale potrebbe effettivamente aumentare la sua conduttività termica, è stato un risultato inaspettato. Se qualcosa, aggiungendo gli atomi in più o, più specificamente, ioni, atomi privati ​​di alcuni elettroni, o con elettroni in eccesso, per dare loro una carica netta, dovrebbe peggiorare la conduttività (che, si è scoperto, era il caso quando si aggiungeva idrogeno, ma non ossigeno).

"È stata una sorpresa per me quando ho visto il risultato, " dice Chen. Ma dopo ulteriori studi sul sistema, lui dice, "ora abbiamo una migliore comprensione" del perché si verifica questo fenomeno inaspettato.

Si scopre che l'inserimento di ioni di ossigeno nella struttura della brownmillerite SCO lo trasforma in quella che è nota come struttura perovskite, una struttura che ha una struttura ancora più ordinata rispetto all'originale. "Si passa da una struttura a bassa simmetria a una struttura ad alta simmetria. Riduce anche la quantità di cosiddetti siti di difetto di vuoto di ossigeno. Questi insieme portano alla sua maggiore conduzione di calore, "Dice Yildiz.

Il calore viene condotto facilmente attraverso strutture così altamente ordinate, mentre tende ad essere disperso e dissipato da strutture atomiche altamente irregolari. Introducendo ioni idrogeno, al contrario, provoca una struttura più disordinata.

"Possiamo introdurre più ordine, che aumenta la conducibilità termica, o possiamo introdurre più disordine, che dà luogo a una minore conduttività. Potremmo capirlo eseguendo la modellazione computazionale, oltre ai nostri esperimenti, " spiega Yildiz.

Mentre la conducibilità termica può essere variata di circa un fattore 10 a temperatura ambiente, a temperature più basse la variazione è ancora maggiore, aggiunge.

Il nuovo metodo permette di variare continuamente quel grado di ordine, in entrambe le direzioni, semplicemente variando una tensione applicata al materiale a film sottile. Il materiale è immerso in un liquido ionico (essenzialmente un sale liquido) o a contatto con un elettrolita solido, che fornisce ioni negativi di ossigeno o ioni positivi di idrogeno (protoni) nel materiale quando viene attivata la tensione. Nel caso dell'elettrolita liquido, la fonte di ossigeno e idrogeno è l'idrolisi dell'acqua dall'aria circostante.

"Quello che abbiamo mostrato qui è davvero una dimostrazione del concetto, " spiega Yildiz. Il fatto che richiedano l'uso di un mezzo elettrolitico liquido per l'intera gamma di idrogenazione e ossigenazione rende questa versione del sistema "non facilmente applicabile a un dispositivo completamente a stato solido, "che sarebbe l'obiettivo finale, lei dice. Saranno necessarie ulteriori ricerche per produrre una versione più pratica. "Sappiamo che esistono materiali elettrolitici allo stato solido" che teoricamente potrebbero sostituire i liquidi, lei dice. Il team sta continuando a esplorare queste possibilità, e hanno dimostrato dispositivi funzionanti anche con elettroliti solidi.

Chen afferma che "ci sono molte applicazioni in cui si desidera regolare il flusso di calore". Per esempio, per l'accumulo di energia sotto forma di calore, come da un impianto solare termico, sarebbe utile avere un contenitore che possa essere altamente isolante per trattenere il calore fino al momento del bisogno, ma che poi potrebbe essere commutato per essere altamente conduttivo quando arriva il momento di recuperare quel calore. "Il Santo Graal sarebbe qualcosa che potremmo usare per immagazzinare energia, " dice. "Questo è il sogno, ma non ci siamo ancora".

Ma questa scoperta è così nuova che potrebbe esserci anche una varietà di altri potenziali usi. Questo approccio, Yildiz dice, "potrebbe aprire nuove applicazioni a cui non avevamo pensato prima." E mentre il lavoro era inizialmente limitato al materiale SCO, "il concetto è applicabile ad altri materiali, perché sappiamo di poter ossigenare o idrogenare elettricamente una serie di materiali, elettrochimicamente" dice. Inoltre, sebbene questa ricerca si sia concentrata sul cambiamento delle proprietà termiche, lo stesso processo ha in realtà anche altri effetti, Chen dice:"Non cambia solo la conduttività termica, ma cambia anche le proprietà ottiche."

"Questo è un modo veramente innovativo e innovativo per utilizzare l'inserimento e l'estrazione di ioni nei solidi per regolare o cambiare la conduttività termica, "dice Juergen Fleig, un professore di tecnologia chimica e analisi presso l'Università di Vienna, Austria, chi non era coinvolto in questo lavoro. "Gli effetti misurati (causati da due transizioni di fase) non sono solo abbastanza grandi ma anche bidirezionali, che sta uscendo. Sono anche impressionato dal fatto che i processi funzionino così bene a temperatura ambiente, poiché tali materiali di ossido vengono solitamente utilizzati a temperature molto più elevate."

Yongjie Hu, professore associato di ingegneria meccanica e aerospaziale presso l'Università della California a Los Angeles, anche lui non era coinvolto in questo lavoro, afferma "Il controllo attivo sul trasporto termico è fondamentalmente una sfida. Questo è uno studio molto interessante e rappresenta un passo importante per raggiungere l'obiettivo. È il primo rapporto che ha esaminato in dettaglio le strutture e le proprietà termiche delle fasi a tre stati, e potrebbe aprire nuove sedi per la gestione termica e le applicazioni energetiche".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.