Los investigadores ajustan la conductividad térmica de los materiales 'sobre la marcha'

Un equipo dirigido por científicos e ingenieros de la Universidad de Minnesota Twin Cities descubrió un nuevo método para ajustar la conductividad térmica de los materiales para controlar el flujo de calor "sobre la marcha". Su rango de sintonización es el más alto jamás registrado entre los procesos de un solo paso en el campo, y abrirá la puerta al desarrollo de dispositivos electrónicos duraderos y más eficientes energéticamente.

Se publica el artículo de los investigadoresen Nature Communications, una revista científica revisada por pares que cubre las ciencias naturales.

Así como la conductividad eléctrica determina qué tan bien un material puede transportar electricidad, la conductividad térmica describe qué tan bien un material puede transportar calor. Por ejemplo, muchos metales utilizados para fabricar sartenes tienen una alta conductividad térmica para que puedan transportar el calor de manera eficiente para cocinar los alimentos.

Por lo general, la conductividad térmica de un material es un valor constante e invariable. Sin embargo, el equipo de la Universidad de Minnesota ha descubierto un proceso simple para "ajustar" este valor en la cobaltita de lantano y estroncio, un material que se usa a menudo en las celdas de combustible. Similar a la forma en que un interruptor controla el flujo de electricidad a una bombilla, el método de los investigadores proporciona una forma de encender y apagar el flujo de calor en los dispositivos.

"Controlar qué tan bien un material puede transferir calor es de gran importancia en la vida diaria y en la industria", dijo Xiaojia Wang, coautor del estudio y profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Minnesota. "Con esta investigación, hemos logrado un ajuste sin precedentes de la conductividad térmica, lo que se muestra prometedor para una gestión térmica y un consumo de energía efectivos en los dispositivos electrónicos que la gente usa todos los días. Un sistema de gestión térmica bien diseñado y que funcione permitiría una mejor experiencia del usuario y hacer que los dispositivos sean más duraderos".

El equipo de Wang trabajó en conjunto con el distinguido profesor de la Universidad McKnight de la Universidad de Minnesota, Chris Leighton, cuyo laboratorio se especializa en la síntesis de materiales.

El equipo de Leighton fabricó los dispositivos de cobaltita de estroncio y lantano utilizando un proceso llamado activación de electrolitos, en el que los iones (moléculas con una carga eléctrica) se conducen a la superficie del material. Esto permitió que Wang y su equipo de investigación manipularan el material aplicándole un bajo voltaje.

"La activación de electrolitos es una técnica tremendamente poderosa para controlar las propiedades de los materiales, y está bien establecida para el control de voltaje del comportamiento electrónico, magnético y óptico", dijo Leighton, coautor del estudio y miembro de la facultad de la Universidad. del Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de los Materiales de Minnesota. "Este nuevo trabajo aplica este enfoque en el ámbito de las propiedades térmicas, donde el control de voltaje del comportamiento físico está menos explorado. Nuestros resultados establecen una conductividad térmica ajustable de forma continua y de baja potencia en un rango impresionante, lo que abre algunas aplicaciones de dispositivos potenciales bastante emocionantes. "

"Aunque fue un desafío medir la conductividad térmica de las películas de cobaltita de estroncio y lantano porque son muy delgadas, fue muy emocionante cuando finalmente logramos que los experimentos funcionaran", dijo Yingying Zhang, primer autor del artículo y profesor de mecánica de la Universidad de Minnesota. ex alumno de doctorado en ingeniería. "Este proyecto no solo proporciona un ejemplo prometedor de ajuste de la conductividad térmica de los materiales, sino que también demuestra los poderosos enfoques que utilizamos en nuestro laboratorio para superar el límite experimental de las mediciones desafiantes".

Esta investigación fue financiada principalmente por la Fundación Nacional de Ciencias a través del Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales de la Universidad de Minnesota (MRSEC). Partes de la investigación se llevaron a cabo en el Centro de Caracterización de la Universidad y en el Nano Center de Minnesota.

Además de Wang, Leighton y Zhang, el equipo de investigación incluyó a Chi Zhang, estudiante de doctorado del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Minnesota; los investigadores del Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de los Materiales de la Universidad de Minnesota William Postiglione, Vipul Chaturvedi y Kei Heltemes; los investigadores de la Universidad de Utah, Salt Lake City, Rui Xie, Hao Zhou y Tianli Feng; y el físico del Laboratorio Nacional de Argonne, Hua Zhou.

- Este comunicado de prensa se publicó originalmente en el sitio web de la Universidad de Minnesota