Puoi sentirlo sul tuo laptop e telefono cellulare. È dietro il frigorifero e la fotocopiatrice dell'ufficio. Mentre il calore è desiderabile per elettrodomestici come una caffettiera, può compromettere l'affidabilità e la sicurezza dei sistemi elettronici in altri dispositivi, causando guasti prematuri nel migliore dei casi e esplosioni nel peggiore dei casi.

Controllo attivo del trasporto di calore, come con interruttori termici e diodi termici, è importante per una vasta gamma di applicazioni nel riscaldamento e nel raffreddamento, conversione di energia, lavorazione dei materiali, e archiviazione dei dati. In pratica, i diodi termici sono componenti termici altamente desiderabili per molte applicazioni ingegneristiche perché consentono ai sistemi energetici di trasferire calore ad aree designate proteggendole anche quando le temperature circostanti sono troppo alte.

Sheng Shen, professore di ingegneria meccanica alla Carnegie Mellon University, esplora fenomeni esotici di trasporto termico come la rettifica termica nel suo laboratorio. Di recente ha guidato un team di ricerca che ha sviluppato un insolito diodo termico in nanofibra di polietilene (PE) che rettifica il calore in entrambe le direzioni modificando la temperatura di lavoro. Questo è significativo perché fino ad ora, ottenere un effetto di rettifica ampio e adattabile richiedeva una dimensione su macroscala o un grande bias di temperatura. I risultati sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura.

Il diodo termico su nanoscala sviluppato in questo lavoro consente un effetto di rettifica termica record al di là di qualsiasi valore sperimentale riportato per la rettifica termica allo stato solido, e richiede solo una piccola deviazione della temperatura inferiore a 10 Kelvin.

Per fabbricare questo diodo termico a stato solido dual-mode, Xiao Luo, dottorato di ricerca studente e co-autore principale del documento, sintonizzato la nanofibra di PE cristallino con irradiazione a fascio di elettroni. Nel suo stato originale, La nanofibra di PE a bassa temperatura ha un'elevata conduttività termica, ma la sua conduttività diminuisce significativamente dopo aver subito una transizione di fase indotta dalla temperatura intorno a 450 gradi Kelvin.

Luo ha irradiato una parte della nanofibra PE, riducendo la conduttività termica e abbassando la temperatura di transizione di fase. La parte restante della nanofibra PE, la parte "incontaminata", è stata lasciata come nello stato originale, creando una giunzione irradiata incontaminata.

"Di conseguenza, abbiamo un etero-giunzione, con le due parti della giunzione aventi proprietà diverse, " disse Luo. Poiché le parti incontaminate e irradiate subiscono le rispettive transizioni di fase a temperature diverse, il calore può essere rettificato in entrambe le direzioni a seconda della temperatura specifica. La rettifica termica a doppia modalità può essere potenzialmente utilizzata per regolare attivamente il flusso di calore per la gestione termica avanzata e la conversione dell'energia, un vero punto di svolta per una vasta gamma di applicazioni industriali e mediche.

"Come elementi avanzati di controllo termico, i diodi termici possono essere utilizzati per proteggere i dispositivi elettronici o biomedici sensibili alla temperatura dalle fluttuazioni della temperatura ambientale, " ha detto Shen. "Per esempio, i diodi termici in nanofibra sviluppati in questo lavoro sono completamente biocompatibili e flessibili. Possono essere potenzialmente utilizzati per proteggere campioni biologici o dispositivi biomedici da picchi di calore locali e consentire una stabilizzazione della temperatura di precisione basata sull'effetto di rettifica termica a doppia modalità".

Intitolato "Rettifica termica a stato solido dual-mode, " il documento è stato uno sforzo collaborativo tra i ricercatori della Carnegie Mellon University, Università della California a San Diego, Università di Notre Dame, e l'Istituto di ricerca e ingegneria dei materiali. Oltre a Shen e Luo, Michael Bockstaller, professore di scienze e ingegneria dei materiali, è un coautore.