Prototyyppi lämpömuistista ja jänniteohjattu lämmönvirtaus

Lämpö on kaikkialla läsnä oleva energiamuoto, jota on, toisin kuin muita, tunnetusti vaikea varastoida sen luonnollisen taipumuksen vuoksi haihtua.

Vaikka tämä ominaisuus on olennainen esimerkiksi Maan pinnalle saapuvalle aurinkoenergialle, se aiheuttaa myös merkittävän teknologisen haasteen.

Sen sijaan, että yritettäisiin rajoittaa lämpöä, biologisen kemian ja molekyylimateriaalien tutkimuskeskuksen (CiQUS) tutkijaryhmä on yhteistyössä Barcelonan ja Zaragozan yliopistojen kanssa ehdottanut vaihtoehtoista strategiaa: valjastaa lämpö sinne, missä sitä syntyy, hallita sen virtausta reaaliajassa ja käyttää sitä lämpömuistin kehittämiseen.

Äskettäin Advanced Materials -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa tiimi esittelee prototyyppisen lämpömuistirakenteen, joka pystyy vaihtamaan eri lämmönjohtavuustilojen välillä pienten sähköjännitteiden avulla.

Aivan kuten perinteisen elektroniikan bitit, järjestelmä voidaan ohjelmoida joko siten, että sen lämmönjohtavuus on korkea ("päällä") tai matala ("pois"), ja se säilyttää kokoonpanonsa myös sähköisen ärsykkeen poistamisen jälkeen.

Uusi piirirakenne perustuu erittäin ohuisiin, vain muutaman nanometrin paksuisiin hafnium- ja zirkoniumoksidikalvoihin, joilla on ferroelektrisiä ominaisuuksia.

Tässä materiaalissa tutkijat ovat yhdistäneet kaksi keskeistä ilmiötä: ferroelektrisille materiaaleille ominaisen sähköisen polarisaation ja atomivirheiden, eli happivakanssien, läsnäolon, jotka toimivat lämmönsiirron esteinä. Näiden kahden tekijän välinen vuorovaikutus mahdollistaa järjestelmän lämmönjohtavuuden tarkan säätelyn.

Tämän käyttäytymisen taustalla oleva mekanismi perustuu tyhjien paikkojen liikkeen sähköiseen säätelyyn. Käytetystä jännitteestä riippuen tyhjiä paikkoja joko kertyy tai leviää materiaaliin, mikä muuttaa lämmön etenemisen helppoutta. Tämä prosessi johtaa hystereesiseen käyttäytymiseen – joka on samanlainen kuin ferrosähköisillä materiaaleilla – mikä mahdollistaa kahden stabiilin ja haihtumattoman lämpötilan määrittelyn.

Vaikka tämä läpimurto on vasta perustavanlaatuisessa vaiheessa ja kaukana välittömästä teknologisesta sovelluksesta, järjestelmällä on lupaavia ominaisuuksia: se toimii suhteellisen matalilla jännitteillä, ja syntyvät lämpötilat osoittavat huomattavaa vakautta ajan kuluessa, pysyen muuttumattomina päivien ajan ilman merkittävää heikkenemistä.

Nykyisistä rajoituksista hidas kytkentänopeus erottuu edukseen, mikä viittaa tulevaisuuden parannusalueisiin.

Tämä työ avaa uuden polun aktiiviseen lämmönsäätöön kiinteän olomuodon laitteissa, ja sillä on potentiaalisia sovelluksia elektronisten järjestelmien lämmönhallinnassa, energian muuntamisessa ja lämpöön perustuvien tiedonkäsittelyteknologioiden kehittämisessä.

Aiheesta aiemmin:

Nanorakenteiden käyttömahdollisuuksia lämmönhallinnassa

Lämpöä voidaan käyttää laskentaan

Lämpöä siirtävä kvasihiukkanen