Des chercheurs règlent la conductivité thermique des matériaux « à la volée »

Une équipe dirigée par des scientifiques et des ingénieurs de l'Université du Minnesota Twin Cities a découvert une nouvelle méthode pour régler la conductivité thermique des matériaux afin de contrôler le flux de chaleur "à la volée". Leur plage de réglage est la plus élevée jamais enregistrée parmi les processus en une étape sur le terrain et ouvrira la voie au développement d'appareils électroniques plus éconergétiques et durables.

L'article des chercheurs est publiédans Nature Communications, une revue scientifique à comité de lecture couvrant les sciences naturelles.

Tout comme la conductivité électrique détermine la capacité d'un matériau à transporter l'électricité, la conductivité thermique décrit la capacité d'un matériau à transporter la chaleur. Par exemple, de nombreux métaux utilisés pour fabriquer des poêles à frire ont une conductivité thermique élevée, ce qui leur permet de transporter efficacement la chaleur pour cuire les aliments.

Typiquement, la conductivité thermique d'un matériau est une valeur constante et invariable. Cependant, l'équipe de l'Université du Minnesota a découvert un procédé simple pour "ajuster" cette valeur dans la cobaltite de lanthane et de strontium, un matériau souvent utilisé dans les piles à combustible. Semblable à la façon dont un interrupteur contrôle le flux d'électricité vers une ampoule, la méthode des chercheurs fournit un moyen d'activer et de désactiver le flux de chaleur dans les appareils.

"Le contrôle de la capacité d'un matériau à transférer la chaleur est d'une grande importance dans la vie quotidienne et dans l'industrie", a déclaré Xiaojia Wang, co-auteur correspondant de l'étude et professeur associé au département de génie mécanique de l'Université du Minnesota. "Grâce à cette recherche, nous avons atteint un réglage record de la conductivité thermique, ce qui est prometteur pour une gestion thermique et une consommation d'énergie efficaces dans les appareils électroniques que les gens utilisent tous les jours. Un système de gestion thermique bien conçu et fonctionnel permettrait une meilleure expérience utilisateur et rendre les appareils plus durables."

L'équipe de Wang a travaillé en tandem avec Chris Leighton, professeur distingué à l'Université McKnight de l'Université du Minnesota, dont le laboratoire est spécialisé dans la synthèse des matériaux.

L'équipe de Leighton a fabriqué les dispositifs de cobaltite de lanthane et de strontium en utilisant un processus appelé déclenchement d'électrolyte, dans lequel des ions (molécules avec une charge électrique) sont entraînés à la surface du matériau. Cela a permis à Wang et à son équipe de recherche de manipuler le matériau en lui appliquant une basse tension.

"Le déclenchement par électrolyte est une technique extrêmement puissante pour contrôler les propriétés des matériaux, et est bien établie pour le contrôle de la tension du comportement électronique, magnétique et optique", a déclaré Leighton, co-auteur correspondant de l'étude et membre du corps professoral de l'Université. du département de génie chimique et des sciences des matériaux du Minnesota. "Ce nouveau travail applique cette approche dans le domaine des propriétés thermiques, où le contrôle de la tension du comportement physique est moins exploré. Nos résultats établissent une conductivité thermique à faible puissance et réglable en continu sur une plage impressionnante, ouvrant des applications potentielles assez intéressantes pour les dispositifs. "

"Bien qu'il ait été difficile de mesurer la conductivité thermique des films de cobaltite de lanthane et de strontium parce qu'ils sont si ultra-minces, c'était assez excitant quand nous avons finalement réussi à faire fonctionner les expériences", a déclaré Yingying Zhang, premier auteur de l'article et chercheur en mécanique à l'Université du Minnesota. diplômé d'un doctorat en ingénierie. "Ce projet fournit non seulement un exemple prometteur de réglage de la conductivité thermique des matériaux, mais démontre également les approches puissantes que nous utilisons dans notre laboratoire pour repousser les limites expérimentales des mesures difficiles."

Cette recherche a été financée principalement par la National Science Foundation par l'intermédiaire du Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) de l'Université du Minnesota. Certaines parties de la recherche ont été menées à l'installation de caractérisation de l'université et au Minnesota Nano Center.

En plus de Wang, Leighton et Zhang, l'équipe de recherche comprenait Chi Zhang, étudiant au doctorat du Département de génie mécanique de l'Université du Minnesota; William Postiglione, Vipul Chaturvedi et Kei Heltemes, chercheurs du Département de génie chimique et de science des matériaux de l'Université du Minnesota; Université de l'Utah, chercheurs de Salt Lake City Rui Xie, Hao Zhou et Tianli Feng ; et le physicien du Laboratoire national d'Argonne Hua Zhou.

- Ce communiqué de presse a été initialement publié sur le site Web de l'Université du Minnesota