Les matériaux dont les propriétés électroniques et magnétiques peuvent être considérablement modifiées en appliquant des entrées électriques forment l'épine dorsale de toute l'électronique moderne. Mais atteindre le même type de contrôle réglable sur la conductivité thermique de n'importe quel matériau a été une quête insaisissable.

Maintenant, une équipe de chercheurs du MIT a fait un grand pas en avant. Ils ont conçu un appareil longtemps recherché, qu'ils appellent une « vanne de chauffage électrique, " qui peut faire varier la conductivité thermique à la demande. Ils ont démontré que la capacité du matériau à conduire la chaleur peut être "réglée" par un facteur de 10 à température ambiante.

Cette technique pourrait potentiellement ouvrir la porte à de nouvelles technologies d'isolation contrôlable dans les fenêtres intelligentes, murs intelligents, vêtements intelligents, ou encore de nouvelles façons de récupérer l'énergie de la chaleur résiduelle.

Les résultats sont rapportés aujourd'hui dans le journal Matériaux naturels , dans un article des professeurs du MIT Bilge Yildiz et Gang Chen, les récents diplômés Qiyang Lu Ph.D. '18 et Samuel Huberman Ph.D. '18, et six autres au MIT et au Brookhaven National Laboratory.

La conductivité thermique décrit dans quelle mesure la chaleur peut être transférée à travers un matériau. Par exemple, c'est la raison pour laquelle vous pouvez facilement prendre une poêle chaude avec un manche en bois, en raison de la faible conductivité thermique du bois, mais vous pourriez vous brûler en ramassant une poêle à frire similaire avec un manche en métal, qui a une conductivité thermique élevée.

Les chercheurs ont utilisé un matériau appelé oxyde de strontium cobalt (SCO), qui peut être réalisé sous forme de films minces. En ajoutant de l'oxygène au SCO sous une forme cristalline appelée brownmillerite, conductivité thermique augmentée. L'ajout d'hydrogène a entraîné une diminution de la conductivité.

Le processus d'ajout ou de retrait d'oxygène et d'hydrogène peut être contrôlé simplement en faisant varier une tension appliquée au matériau. En substance, le processus est électrochimiquement conduit. Globalement, à température ambiante, les chercheurs ont découvert que ce processus fournissait une variation dix fois supérieure à la conduction thermique du matériau. Une telle plage d'ordre de grandeur de variation électriquement contrôlable n'a jamais été vue dans aucun matériau auparavant, disent les chercheurs.

Dans la plupart des matériaux connus, la conductivité thermique est invariable - le bois ne conduit jamais bien la chaleur, et les métaux ne conduisent jamais mal la chaleur. En tant que tel, lorsque les chercheurs ont découvert que l'ajout de certains atomes dans la structure moléculaire d'un matériau pouvait en fait augmenter sa conductivité thermique, c'était un résultat inattendu. Si quoi que ce soit, en ajoutant les atomes supplémentaires - ou, plus précisement, ions, atomes dépouillés de quelques électrons, ou avec des électrons en excès, leur donner une charge nette - devrait aggraver la conductivité (ce qui, il s'est avéré, était le cas lors de l'ajout d'hydrogène, mais pas d'oxygène).

"C'était une surprise pour moi quand j'ai vu le résultat, " dit Chen. Mais après d'autres études du système, il dit, « nous avons maintenant une meilleure compréhension » des raisons pour lesquelles ce phénomène inattendu se produit.

Il s'avère que l'insertion d'ions d'oxygène dans la structure de la brownmillerite SCO la transforme en ce qu'on appelle une structure pérovskite, une structure qui a une structure encore plus ordonnée que l'originale. "Il passe d'une structure à faible symétrie à une structure à haute symétrie. Il réduit également la quantité de sites de défauts dits de lacunes d'oxygène. Ensemble, ils conduisent à sa conduction thermique plus élevée, " dit Yildiz.

La chaleur est conduite facilement à travers de telles structures hautement ordonnées, alors qu'il a tendance à être dispersé et dissipé par des structures atomiques très irrégulières. l'introduction d'ions hydrogène, par contre, provoque une structure plus désordonnée.

"Nous pouvons introduire plus d'ordre, qui augmente la conductivité thermique, ou nous pouvons introduire plus de désordre, ce qui donne lieu à une conductivité plus faible. Nous pourrions comprendre cela en effectuant une modélisation informatique, en plus de nos expériences, " explique Yildiz.

Alors que la conductivité thermique peut varier d'environ un facteur 10 à température ambiante, à des températures plus basses, la variation est encore plus grande, Elle ajoute.

La nouvelle méthode permet de faire varier en continu ce degré d'ordre, dans les deux sens, simplement en faisant varier une tension appliquée au matériau en couche mince. Le matériau est soit immergé dans un liquide ionique (essentiellement un sel liquide) soit en contact avec un électrolyte solide, qui fournit soit des ions oxygène négatifs, soit des ions hydrogène positifs (protons) au matériau lorsque la tension est activée. Dans le cas de l'électrolyte liquide, la source d'oxygène et d'hydrogène est l'hydrolyse de l'eau de l'air ambiant.

"Ce que nous avons montré ici est vraiment une démonstration du concept, " explique Yildiz. Le fait qu'ils nécessitent l'utilisation d'un milieu électrolytique liquide pour toute la gamme d'hydrogénation et d'oxygénation rend cette version du système "pas facilement applicable à un appareil tout solide, " qui serait le but ultime, elle dit. Des recherches supplémentaires seront nécessaires pour produire une version plus pratique. "Nous savons qu'il existe des matériaux électrolytiques à l'état solide" qui pourraient théoriquement se substituer aux liquides, elle dit. L'équipe continue d'explorer ces possibilités, et ont également fait la démonstration de dispositifs fonctionnant avec des électrolytes solides.

Chen dit "il existe de nombreuses applications où vous souhaitez réguler le flux de chaleur". Par exemple, pour le stockage d'énergie sous forme de chaleur, par exemple à partir d'une installation solaire thermique, il serait utile d'avoir un contenant qui pourrait être très isolant pour retenir la chaleur jusqu'à ce qu'on en ait besoin, mais qui pourrait ensuite être commuté pour être hautement conducteur au moment de récupérer cette chaleur. "Le Saint Graal serait quelque chose que nous pourrions utiliser pour le stockage d'énergie, " dit-il. " C'est le rêve, mais nous n'en sommes pas encore là."

Mais cette découverte est si nouvelle qu'il peut également y avoir une variété d'autres utilisations potentielles. Cette approche, Yildiz dit, "pourrait ouvrir de nouvelles applications auxquelles nous n'avions pas pensé auparavant." Et tandis que le travail était initialement limité au matériel SCO, "le concept est applicable à d'autres matériaux, parce que nous savons que nous pouvons oxygéner ou hydrogéner une gamme de matériaux électriquement, électrochimiquement », dit-elle. De plus, bien que cette recherche se soit concentrée sur la modification des propriétés thermiques, le même processus a également d'autres effets, Chen dit :"Cela modifie non seulement la conductivité thermique, mais cela change aussi les propriétés optiques."

"Il s'agit d'une manière vraiment innovante et nouvelle d'utiliser l'insertion et l'extraction d'ions dans les solides pour régler ou changer la conductivité thermique, " dit Juergen Fleig, professeur de technologie chimique et d'analyse à l'Université de Vienne, L'Autriche, qui n'a pas participé à ce travail. "Les effets mesurés (causés par deux transitions de phase) sont non seulement assez importants mais aussi bidirectionnels, qui sort. Je suis également impressionné par le fait que les processus fonctionnent si bien à température ambiante, étant donné que ces matériaux d'oxyde sont généralement utilisés à des températures beaucoup plus élevées."

Yongjie Hu, professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial à l'Université de Californie à Los Angeles, qui n'était pas non plus impliqué dans ce travail, dit « Le contrôle actif du transport thermique est fondamentalement un défi. Il s'agit d'une étude très passionnante et représente une étape importante pour atteindre l'objectif. C'est le premier rapport qui a examiné en détail les structures et les propriétés thermiques des phases à trois états, et peut ouvrir de nouveaux horizons pour la gestion thermique et les applications énergétiques."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.