Schéma d'un dispositif de diode thermique à nanofibres. Crédit :Collège d'ingénierie, L'université de Carnegie Mellon
Vous pouvez le sentir sur votre ordinateur portable et votre téléphone portable. Il se trouve derrière votre réfrigérateur et votre photocopieuse de bureau. Alors que la chaleur est souhaitable pour les appareils comme une cafetière, cela peut compromettre la fiabilité et la sécurité des systèmes électroniques dans d'autres appareils, provoquant au mieux une défaillance prématurée et au pire des explosions.
Contrôle actif du transport de chaleur, comme pour les interrupteurs thermiques et les diodes thermiques, est important pour une gamme d'applications dans le chauffage et le refroidissement, conversion de l'énergie, traitement des matériaux, et stockage de données. En pratique, Les diodes thermiques sont des composants thermiques hautement souhaitables pour de nombreuses applications d'ingénierie, car elles permettent aux systèmes énergétiques de transférer la chaleur vers des zones désignées tout en les protégeant également lorsque les températures environnantes sont trop élevées.
Sheng Shen, professeur de génie mécanique à l'Université Carnegie Mellon, explore des phénomènes exotiques de transport thermique comme la rectification thermique dans son laboratoire. Il a récemment dirigé une équipe de recherche qui a développé une diode thermique inhabituelle en nanofibre de polyéthylène (PE) qui rectifie la chaleur dans les deux sens en modifiant la température de fonctionnement. C'est important car jusqu'à présent, obtenir un effet de rectification important et adaptable nécessitait une taille macroscopique ou un grand biais de température. Les résultats ont été publiés dans Communications naturelles.
La diode thermique nanométrique développée dans ce travail permet un effet de rectification thermique record au-delà de toutes les valeurs expérimentales rapportées pour la rectification thermique à l'état solide, et ne nécessite qu'un petit biais de température de moins de 10 Kelvin.
Image en microscopie électronique à balayage de la jonction hétérogène de nanofibres en tant que diode thermique en fausses couleurs :violet (coupe irradiée) et vert (coupe vierge). Crédit :Collège d'ingénierie, L'université de Carnegie Mellon
Pour fabriquer cette diode thermique à semi-conducteurs bimode, Xiao Luo, doctorat étudiant et co-auteur principal de l'article, réglé la nanofibre de PE cristalline avec une irradiation par faisceau d'électrons. Dans son état d'origine, La nanofibre de PE à basse température a une conductivité thermique élevée, mais sa conductivité diminue considérablement après avoir subi une transition de phase induite par la température autour de 450 degrés Kelvin.
Luo a irradié une partie de la nanofibre PE, réduire la conductivité thermique et décaler la température de transition de phase plus bas. La partie restante de la nanofibre PE - la partie « vierge » - a été laissée dans son état d'origine, créant une jonction vierge-irradiée.
"Par conséquent, on a une hétérojonction, les deux parties de la jonction ayant des propriétés différentes, " a déclaré Luo. Parce que les parties vierges et irradiées subissent leurs transitions de phase respectives à différentes températures, la chaleur peut être rectifiée dans les deux sens en fonction de la température spécifique. La rectification thermique bimode peut potentiellement être utilisée pour réguler activement le flux de chaleur pour une gestion thermique et une conversion d'énergie avancées, un véritable changement pour une gamme d'applications industrielles et médicales.
"En tant qu'éléments de contrôle thermique avancés, les diodes thermiques peuvent être utilisées pour protéger les appareils électroniques ou biomédicaux sensibles à la température des fluctuations de température environnementales, " dit Shen. " Par exemple, les diodes thermiques nanofibres développées dans ce travail sont entièrement biocompatibles et flexibles. Ils peuvent potentiellement être utilisés pour protéger des échantillons biologiques ou des dispositifs biomédicaux contre les pics de chaleur locaux et permettre une stabilisation précise de la température sur la base de l'effet de rectification thermique bimode. »
Intitulé « Rectification thermique à semi-conducteurs bimode, " le document était un effort de collaboration entre des chercheurs de l'Université Carnegie Mellon, Université de Californie à San Diego, Université de Notre-Dame, et l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux. En plus de Shen et Luo, Michael Bockstaller, professeur de science et génie des matériaux, est co-auteur.
