Они продемонстрировали, что известный материал, используемый в электронном оборудовании, теперь можно использовать и в качестве терморегулятора, когда он находится в очень чистой форме. Этот новый класс материалов дает инженерам возможность увеличивать или уменьшать теплопроводность по требованию, превращая теплоизолятор в проводник и наоборот.

Команда опубликовала свои выводы ранее этой весной в Сообщения о природе: Наблюдение твердотельного двунаправленного переключения теплопроводности в антисегнетоэлектрическом цирконате свинца.

Двунаправленный контроль или "настройка" теплопроводящих материалов будет особенно полезен в электронике и устройствах, которым необходимо работать при экстремальных температурах или выдерживать экстремальные колебания температуры. Одним из сценариев, в которых устройства должны работать в таких суровых условиях, является пространство.

"Колебания температуры в космосе могут быть довольно интенсивными", - сказал Киумарс Арьяна, который этой весной получил степень доктора философии в области механики и аэрокосмической инженерии в UVA и является первым автором статьи Nature Communications. "Этот тип технологии теплового переноса может стать огромным преимуществом, поскольку мы создаем транспортные средства и устройства для исследования космоса".

"Марсоход - отличный пример", - сказала Арьяна. Температура грунта в местах посадки марсохода может достигать 70 градусов по Фаренгейту днем и минус 146 градусов ночью. Чтобы электронные устройства продолжали работать при таких широких перепадах температур, марсоход использует изолирующую коробку и нагреватели, предохраняющие компоненты от замерзания, и радиаторы, предотвращающие их сгорание.

"Этот новый способ управления теплом существенно менее сложен и означает, что регулированием тепла управлять проще - и быстрее. Там, где радиатору или изоляции требуется много времени, чтобы начать нагрев или охлаждение, твердотельный механизм будет работать почти мгновенно. Способность справляться с быстрыми перепадами температуры также делает вещи более безопасными. Поскольку нагрев и охлаждение могут поддерживаться в прежнем режиме, вероятность того, что жара или холод вызовут неисправности - или что еще хуже - снижается", - сказала Арьяна.

Между тем, здесь, на Земле, перспективные области применения включают управление отоплением и охлаждением в больших масштабах, таких как здания, и в небольших масштабах, таких как печатные платы для электроники. Меньшее потребление энергии приравнивается к более экологичным технологиям и более низким затратам.

Это достижение является продолжением давнего сотрудничества между Джоном Илефельдом, адъюнкт-профессором материаловедения и инженерии UVA Engineering, электротехники и вычислительной техники, и Патриком Э. Хопкинс, профессор инженерного дела Уитни Стоун, профессор механики, аэрокосмической промышленности и инжиниринга и советник Арианы.

Команда Илефельда-Хопкинса в течение десятилетия была пионером в области регулируемой теплопроводности в кристаллических материалах, сначала в Национальной лаборатории Сандии, а теперь в UVA.

Настраиваемость уникальна для класса функциональных материалов, называемых сегнетоэлектриками, которые являются специализацией исследовательской группы Ihlefeld по многофункциональным тонкопленочным материалам.

"Сегнетоэлектрический материал подобен магниту, за исключением того, что вместо северного и южного полюсов у вас есть положительный и отрицательный заряд", - сказал Илефельд. Электрическое поле или напряжение, приложенное к сегнетоэлектрическому материалу, "переворачивает" полярность поверхности материала в противоположное состояние, где оно остается до тех пор, пока не будет приложено противоположное напряжение.

"Обычно теплопроводность считается статическим свойством материала", - сказал Хопкинс. "Если вы хотите превратить теплопроводник в изолятор, вы должны навсегда изменить его структуру или интегрировать его с новым материалом".

Предыдущие исследования Илефельда и Хопкинса продемонстрировали, как снизить теплопроводность с помощью электрического поля и как интегрировать материал в устройство, чтобы повысить теплопроводность, но они не смогли заставить один и тот же материал выполнять и то, и другое.

Для этого проекта команда использовала антисегнетоэлектрический материал, в котором участвуют как тепло, так и напряжение.

"Что делает этот интересный материал, помимо того, что он является высококачественным кристаллом с тенденциями теплопроводности, подобными аморфному стеклу, в дополнение к тому, что он твердотельный, он дает нам две уникальные кнопки для изменения теплопроводности", - сказал Хопкинс. "Мы можем быстро нагревать кристалл лазером или подавать напряжение для активной настройки теплопроводности и теплопередачи".

"Мы пытались использовать коммерческий образец цирконата свинца для тестирования двунаправленной теплопроводности, но это не сработало", - сказала Арьяна. Лейн Мартин, профессор материаловедения и инженерии Канцлера и заведующий кафедрой Калифорнийского университета в Беркли, предоставил чрезвычайно чистый образец цирконата свинца. "Используя образец Лейна, мы добились двунаправленного изменения теплопроводности на 38% за один всплеск, что является огромным скачком", - сказала Арьяна.

Структуры антиферроэлектрических материалов по своей природе двунаправлены. В наименьшей повторяющейся единице кристаллической решетки одна половина имеет полярность, направленную вверх, а другая половина направлена вниз, так что положительные и отрицательные заряды компенсируют друг друга. При нагревании кристаллическая структура изменяется, и антиферроэлектричество исчезает, увеличивая теплопроводность. Применение электрического поля приводит к обратному результату - оно приводит к превращению материала в сегнетоэлектрик и уменьшению теплопроводности. Полярность сети возвращается к нулю при снятии напряжения.

Изменение полярности и расположения атомов в кристалле, которые поддерживают антисегнетоэлектрическую структуру, приводит к наблюдаемым и измеримым событиям теплового рассеяния - что-то вроде тепловой сигнатуры - что означает, что энергия диффундирует через материал способами, которые можно предсказать и контролировать.

Члены исследовательской группы Хопкинса по экспериментам и моделированию в области тепловой инженерии добились многих успехов в лазерном измерении материалов. В статье Nature Communications представлена инновация в экспериментах, основанных на оптической термометрии, в которых студенты использовали третий лазер для быстрого нагрева, чтобы модулировать антисегнетоэлектрическую пленку путем перехода от антисегнетоэлектрической к параэлектрической структуре, придавая ей способность поляризовываться под действием приложенного электрического поля.

Чтобы повлиять на технологии, инженерам понадобится более мощный переключатель "вкл-выкл" для быстрого перемещения или накопления гораздо большего процента тепла. Следующие шаги исследовательской группы включают в себя работу над более точным определением ограничений материала, чтобы они могли разработать новый материал с более высокими коэффициентами переключения, ускоряя использование материалов с активно настраиваемой теплопроводностью.