Material vars elektroniska och magnetiska egenskaper kan ändras avsevärt genom att använda elektriska ingångar utgör ryggraden i all modern elektronik. Men att uppnå samma typ av avstämbar kontroll över värmeledningsförmågan hos vilket material som helst har varit en svårfångad strävan.

Nu, ett team av forskare vid MIT har tagit ett stort steg framåt. De har designat en länge eftersökt enhet, som de refererar till som en "elektrisk värmeventil, " som kan variera den termiska konduktiviteten vid behov. De visade att materialets förmåga att leda värme kan "justeras" med en faktor 10 vid rumstemperatur.

Denna teknik kan potentiellt öppna dörren till ny teknik för kontrollerbar isolering i smarta fönster, smarta väggar, smarta kläder, eller till och med nya sätt att ta tillvara energin från spillvärme.

Fynden rapporteras idag i tidskriften Naturmaterial , i en artikel av MIT-professorerna Bilge Yildiz och Gang Chen, nyutexaminerade Qiyang Lu Ph.D. '18 och Samuel Huberman Ph.D. '18, och sex andra vid MIT och vid Brookhaven National Laboratory.

Värmeledningsförmåga beskriver hur väl värme kan överföras genom ett material. Till exempel, det är anledningen till att du enkelt kan ta upp en het stekpanna med ett trähandtag, på grund av träs låga värmeledningsförmåga, men du kan bränna dig när du tar upp en liknande stekpanna med metallhandtag, som har hög värmeledningsförmåga.

Forskarna använde ett material som heter strontiumkoboltoxid (SCO), som kan göras i form av tunna filmer. Genom att tillsätta syre till SCO i en kristallin form som kallas brownmillerite, värmeledningsförmågan ökade. Tillsats av väte till det fick konduktiviteten att minska.

Processen att tillsätta eller ta bort syre och väte kan styras helt enkelt genom att variera en spänning som appliceras på materialet. I huvudsak, processen är elektrokemiskt driven. Övergripande, vid rumstemperatur, forskarna fann att denna process gav en tiofaldig variation i materialets värmeledning. En sådan storleksordning av elektriskt styrbar variation har aldrig setts i något material tidigare, säger forskarna.

I de flesta kända material, värmeledningsförmågan är oföränderlig - trä leder aldrig värme bra, och metaller leder aldrig värme dåligt. Som sådan, när forskarna fann att att lägga till vissa atomer i molekylstrukturen hos ett material faktiskt kunde öka dess värmeledningsförmåga, det var ett oväntat resultat. Om något, lägga till de extra atomerna – eller, mer specifikt, joner, atomer utan några elektroner, eller med överskott av elektroner, att ge dem en nettoladdning – borde göra konduktiviteten sämre (vilket, Det visade sig, var fallet när man tillsatte väte, men inte syre).

"Det var en överraskning för mig när jag såg resultatet, " säger Chen. Men efter ytterligare studier av systemet, han säger, "nu har vi en bättre förståelse" för varför detta oväntade fenomen inträffar.

Det visar sig att införande av syrejoner i strukturen av brownmillerite SCO omvandlar den till vad som kallas en perovskitstruktur - en som har en ännu mer ordnad struktur än originalet. "Det går från en struktur med låg symmetri till en högsymmetrisk struktur. Den minskar också mängden av så kallade syrevakansdefekter. Dessa leder tillsammans till dess högre värmeledning, " säger Yildiz.

Värme leds lätt genom sådana högordnade strukturer, medan det tenderar att spridas och skingras av mycket oregelbundna atomära strukturer. Introduktion av vätejoner, däremot orsakar en mer oordnad struktur.

"Vi kan införa mer ordning, vilket ökar värmeledningsförmågan, eller så kan vi introducera mer oordning, vilket ger upphov till lägre konduktivitet. Vi skulle kunna ta reda på detta genom att utföra beräkningsmodellering, utöver våra experiment, " förklarar Yildiz.

Även om värmeledningsförmågan kan varieras med ungefär en faktor 10 vid rumstemperatur, vid lägre temperaturer är variationen ännu större, tillägger hon.

Den nya metoden gör det möjligt att kontinuerligt variera den graden av ordning, åt båda håll, helt enkelt genom att variera en spänning som appliceras på tunnfilmsmaterialet. Materialet är antingen nedsänkt i en jonisk vätska (i huvudsak ett flytande salt) eller i kontakt med en fast elektrolyt, som tillför antingen negativa syrejoner eller positiva vätejoner (protoner) till materialet när spänningen slås på. I fallet med flytande elektrolyt, källan till syre och väte är hydrolys av vatten från den omgivande luften.

"Vad vi har visat här är verkligen en demonstration av konceptet, " Yildiz förklarar. Det faktum att de kräver användning av ett flytande elektrolytmedium för hela spektrumet av hydrering och syresättning gör att denna version av systemet "inte lätt kan appliceras på en enhet i fast tillstånd, "vilket skulle vara det slutliga målet, hon säger. Ytterligare forskning kommer att behövas för att ta fram en mer praktisk version. "Vi vet att det finns elektrolytmaterial i fast tillstånd" som teoretiskt skulle kunna ersätta vätskorna, hon säger. Teamet fortsätter att utforska dessa möjligheter, och har visat fungerande anordningar med fasta elektrolyter också.

Chen säger "det finns många applikationer där du vill reglera värmeflödet." Till exempel, för energilagring i form av värme, från en solvärmeanläggning, det skulle vara användbart att ha en behållare som kan vara mycket isolerande för att hålla värmen tills den behövs, men som sedan skulle kunna ändras till att vara mycket ledande när det är dags att hämta den värmen. "Den heliga graal skulle vara något vi skulle kunna använda för energilagring, " säger han. "Det är drömmen, men vi är inte där än."

Men denna upptäckt är så ny att det också kan finnas en mängd andra potentiella användningsområden. Detta tillvägagångssätt, Yildiz säger, "kan öppna upp nya applikationer som vi inte tänkt på tidigare." Och medan arbetet till en början var begränsat till SCO-materialet, "konceptet är tillämpligt på andra material, eftersom vi vet att vi kan syresätta eller hydrera en rad olika material elektriskt, elektrokemiskt", säger hon. Dessutom även om denna forskning fokuserade på att förändra de termiska egenskaperna, samma process har faktiskt andra effekter också, Chen säger:"Det förändrar inte bara värmeledningsförmågan, men det ändrar också optiska egenskaper."

"Detta är ett verkligt innovativt och nytt sätt att använda joninföring och -extraktion i fasta ämnen för att ställa in eller byta värmeledningsförmåga, säger Jürgen Fleig, professor i kemisk teknologi och analys vid universitetet i Wien, Österrike, som inte var involverad i detta arbete. "De uppmätta effekterna (orsakade av två fasövergångar) är inte bara ganska stora utan också dubbelriktade, som är spännande. Jag är också imponerad av att processerna fungerar så bra i rumstemperatur, eftersom sådana oxidmaterial vanligtvis drivs vid mycket högre temperaturer."

Yongjie Hu, en docent i mekanisk och rymdteknik vid University of California i Los Angeles, som inte heller var involverad i detta arbete, säger "Aktiv kontroll över termisk transport är i grunden utmanande. Det här är en mycket spännande studie och representerar ett viktigt steg för att uppnå målet. Det är den första rapporten som har tittat i detalj på strukturerna och termiska egenskaperna för faser i tre tillstånd, och kan öppna upp nya arenor för värmehantering och energitillämpningar."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.