Du kan känna det på din bärbara dator och mobiltelefon. Det är bakom ditt kylskåp och kontorskopieringsmaskin. Även om värme är önskvärt för apparater som en kaffebryggare, det kan äventyra tillförlitligheten och säkerheten för elektroniska system i andra enheter, orsakar för tidigt fel i bästa fall och explosioner i värsta fall.

Aktiv kontroll av värmetransport, som med termobrytare och termiska dioder, är viktigt för en rad applikationer inom värme och kyla, energiomvandling, materialbearbetning, och datalagring. I praktiken, termiska dioder är mycket önskvärda termiska komponenter för många tekniska tillämpningar eftersom de tillåter energisystem att överföra värme till avsedda områden samtidigt som de skyddar dem när de omgivande temperaturerna är för höga.

Sheng Shen, en professor i maskinteknik vid Carnegie Mellon University, utforskar exotiska termiska transportfenomen som termisk korrigering i sitt laboratorium. Han ledde nyligen ett forskarlag som utvecklade en ovanlig termisk diod gjord av polyeten (PE) nanofiber som likriktar värme i båda riktningarna genom att ändra arbetstemperaturen. Detta är viktigt eftersom hittills, för att uppnå en stor och anpassningsbar rättningseffekt krävs en makroskala eller stor temperaturförskjutning. Fynden publicerades i Naturkommunikation.

Den termiska dioden i nanoskala som utvecklats i detta arbete möjliggör en rekordhög termisk likriktningseffekt utöver alla rapporterade experimentella värden för termisk likriktning i fast tillstånd, och kräver endast en liten temperaturförspänning på mindre än 10 Kelvin.

För att tillverka den här termodioden i två lägen, Xiao Luo, Ph.D. student och en medledande författare av tidningen, trimmade den kristallina PE nanofibern med elektronstrålebestrålning. I sitt ursprungliga skick, PE nanofiber vid låg temperatur har hög värmeledningsförmåga men dess konduktivitet minskar avsevärt efter att den genomgår en temperaturinducerad fasövergång runt 450 grader Kelvin.

Luo bestrålade en del av PE nanofibern, minska värmeledningsförmågan och förskjuta fasövergångstemperaturen lägre. Den återstående delen av PE-nanofibern - den "orörda" delen - lämnades som i det ursprungliga tillståndet, skapar en orörd bestrålad korsning.

"Som ett resultat, vi har en hetero-korsning, där de två delarna av korsningen har olika egenskaper, " sa Luo. Eftersom de orörda och bestrålade delarna genomgår sina respektive fasövergångar vid olika temperaturer, värme kan likriktas i båda riktningarna beroende på den specifika temperaturen. Termolikriktningen med två lägen kan eventuellt användas för att reglera värmeflödet aktivt för avancerad värmehantering och energiomvandling-en riktig spelväxlare för en rad industriella och medicinska tillämpningar.

"Som avancerade termiska kontrollelement, termiska dioder kan användas för att skydda temperaturkänsliga elektroniska eller biomedicinska enheter från omgivningstemperaturfluktuationer, " sa Shen. "Till exempel, de termiska nanofiberdioderna som utvecklats i detta arbete är helt biokompatibla och flexibla. De kan potentiellt användas för att skydda biologiska prover eller biomedicinska apparater från lokala värmespikar och möjliggöra precisionstemperaturstabilisering baserat på den termiska likriktningseffekten med dubbla lägen."

Med titeln "Dual-Mode Solid-State Thermal Rectification, "uppsatsen var ett samarbete mellan forskare vid Carnegie Mellon University, University of California i San Diego, University of Notre Dame, och Institutet för materialforskning och materialteknik. Förutom Shen och Luo, Michael Bockstaller, professor i materialvetenskap och teknik, är medförfattare.