| 2022年6月22日 |
研究人員利用一種新的固態熱技術的力量（Nanowerk新聞弗吉尼亞大學工程與應用科學學院的研究人員發現了一種製造多功能熱導體的方法，有望用於更節能的電子設備、綠色建築和太空探索。 |
| 他們已經證明，一種用於電子設備的已知材料現在也可以用作熱調節器，當它處於非常純的形式時。這種新型材料使工程師能夠根據需要增加或減少熱導率，將絕緣體變為導體，反之亦然。 |
| 該研究小組在《自然通訊（“反鐵電鋯鉛(PbZrO)固態雙向熱導率切換的觀察。3.)”）. |
| 導熱材料的雙向控製或“調諧”將特別適用於需要在極端溫度下工作或承受極端溫度波動的電子和設備。設備需要在如此惡劣的條件下工作的場景之一是空間。 |
| 今年春天在弗吉尼亞大學獲得機械與航空航天工程博士學位的Kiumars Aryana說:“太空中的溫度波動可能相當劇烈。自然通訊紙。“當我們建造用於太空探索的飛行器和設備時，這種類型的熱傳輸技術可能是一個巨大的優勢。” |
| “火星漫遊者是一個很好的例子，”Aryana說。火星車著陸點的地麵溫度白天可達華氏70度，晚上可達零下146度。為了在如此大的溫度波動下保持電子設備正常工作，漫遊者依靠一個絕緣盒和加熱器來防止部件結冰，並依靠散熱器來防止它們燒毀。 |
| “這種新的熱管理模式基本上不那麼複雜，意味著熱調節更容易管理，也更快。當散熱器或絕緣材料需要很長時間才能開始加熱或冷卻時，固態機製幾乎可以瞬間完成。能夠跟上快速的溫度變化也使事情更安全。因為加熱和冷卻可以保持一致，熱或冷導致故障或更糟的機會減少了，”Aryana說。 |
| 與此同時，在地球上，有希望的用途包括在大範圍內(如建築物)和小範圍內(如電子電路板)管理加熱和冷卻。更少的能源等同於更環保的技術和更低的成本。 |
| 這一進展延續了Jon Ihlefeld (UVA工程學院材料科學與工程、電氣與計算機工程副教授)和Patrick E. Hopkins (Whitney Stone工程教授、機械、航空航天與工程教授、Aryana的顧問)之間的長期合作。 |
| Ihlefeld-Hopkins團隊在過去十年中率先在晶體材料中實現可調諧熱導率，最初是在桑迪亞國家實驗室，現在是在弗吉尼亞大學。 |
| 可調諧性是一類稱為鐵電體的功能材料所特有的，這是Ihlefeld的多功能薄膜研究小組的專長。 |
| Ihlefeld說:“鐵電材料就像磁鐵，隻不過不是南北兩極，而是正電荷和負電荷。”當施加在鐵電材料上的電場或電壓，會使材料表麵的極性“翻轉”到相反的狀態，直到施加相反的電壓，材料表麵的極性才會保持。 |
| “通常，導熱性被認為是一種靜態的材料特性，”霍普金斯說。“如果你想把熱導體變成絕緣體，你必須永久性地改變它的結構，或者把它與一種新材料結合起來。” |
| Ihlefeld和Hopkins之前的研究展示了如何通過電場降低熱導率，以及如何將材料集成到設備中以提高熱導率，但他們無法讓同一種材料同時做到這兩件事。 |
| 在這個項目中，研究小組使用了一種反鐵電材料，在這種材料中熱量和電壓都起作用。 |
| 霍普金斯說:“這種有趣的材料除了是一種像非晶玻璃一樣具有導熱趨勢的高質量晶體外，除了是固態的外，它還為我們提供了改變導熱率的兩個獨特的按鈕。”“我們可以用激光快速加熱晶體，或者施加電壓來主動調節導熱性和熱傳輸。” |
| “我們試圖使用商業樣品的鋯酸鉛來測試雙向熱導率，但它沒有工作，”Aryana說。加州大學伯克利分校(University of California Berkeley)材料科學與工程係主任、係主任萊恩·馬丁(Lane Martin)提供了一份極純的鋯酸鉛樣品。“利用萊恩的樣本，我們在一次爆炸中實現了38%的導熱率雙向變化，這是一個巨大的飛躍，”Aryana說。 |
| 反鐵電材料的結構本質上是雙向的。在晶格中最小的重複單元中，一半的極性是向上的，另一半是向下的，這樣正電荷和負電荷就會互相抵消。當加熱時，晶體結構改變，反鐵電性消失，增加熱導率。施加電場的效果正好相反——它使材料轉變為鐵電性，熱導率降低。去除電壓後，淨極性歸零。 |
| 極性的翻轉和晶體中支持反鐵電結構的原子排列導致了可觀測和可測量的熱散射事件——類似於熱信號——這意味著能量以可以預測和控製的方式在材料中擴散。 |
| 霍普金斯熱工課題組的實驗和模擬成員在材料激光測量方麵取得了許多進展。的自然通訊論文提出了一項基於光學溫度測量的創新實驗，在該實驗中，學生使用第三個激光來產生快速加熱事件，通過反鐵電結構到副電結構的轉變來調製反鐵電薄膜，使其在外加電場下極化。 |
| 為了對技術產生影響，工程師將需要一個更大的“開關”來快速移動或存儲更大比例的熱量。研究團隊的下一步工作包括更好地確定材料的限製，這樣他們就可以設計一種具有更高開關比的新材料，加速主動可調導熱材料的使用。 |
