211service.com
Een plastic dat rilt
Dunne films van een nieuw polymeer ontwikkeld in Penn State veranderen van temperatuur als reactie op veranderende elektrische velden. De onderzoekers van Penn State, die het nieuwe materiaal rapporteerden in Wetenschap vorige week zeggen dat het zou kunnen leiden tot nieuwe technologieën voor het koelen van computerchips en tot milieuvriendelijke koelkasten.
Koele spoel: Films van een speciaal ontworpen polymeer, slechts 0,4 tot 2,0 micrometer dik, kunnen 12 °C kouder of heter worden wanneer een elektrisch veld wordt verwijderd of eroverheen wordt aangelegd.
Het veranderen van het elektrische veld herschikt de atomen van het polymeer, waardoor de temperatuur verandert; dit wordt het elektrocalorische effect genoemd. In een koelapparaat zou een spanning op het materiaal worden aangebracht, dat vervolgens in contact zou worden gebracht met wat het ook moet koelen. Het materiaal zou opwarmen, zijn energie doorgeven aan een koellichaam of het vrijgeven in de atmosfeer. Het verminderen van het elektrische veld zou het polymeer weer op een lage temperatuur brengen, zodat het opnieuw kan worden gebruikt.
In een paper uit 2006 in Wetenschap , Cambridge University-onderzoekers onder leiding van materiaalwetenschapper Neil Mathur beschreef keramische materialen die ook het elektrocalorische effect vertoonden, maar alleen bij temperaturen van ongeveer 220 °C. De bedrijfstemperatuur van een computerchip is aanzienlijk lager – meestal ergens rond de 85 °C – en een keukenkoelkast zou nog op lagere temperaturen moeten werken. Het Penn State-polymeer vertoont dezelfde schommeling van 12 graden als de keramiek, maar het werkt bij een relatief lage 55 ° C.
Ook neemt het polymeer de warmte beter op. In een koelapparaat moet je naast temperatuurverandering ook weten hoeveel warmte het kan opnemen van plaatsen waar je moet koelen, zegt Qiming Zhang , een professor elektrotechniek aan Penn State, die het nieuwe werk leidde. Het polymeer, zegt Zhang, kan zeven keer zoveel warmte absorberen als het keramiek.
Zhang schrijft deze eigenschappen toe aan de flexibelere rangschikking van atomen in polymeren. In keramiek zijn atomen stijver, dus het is moeilijker om ze te verplaatsen, zegt hij. Atomen kunnen veel gemakkelijker in polymeren worden verplaatst met behulp van een elektrisch veld, dus het elektrocalorische effect in polymeer is veel beter dan in keramiek.
De eigenschappen van het materiaal maken het een aantrekkelijke kandidaat voor laptopkoelingstoepassingen, zegt Intel-ingenieur Rajiv Mongia, die koeltechnologieën bestudeert. Computerfabrikanten zijn op zoek naar minder omvangrijke alternatieven voor de koellichamen en luidruchtige ventilatoren die momenteel worden gebruikt in laptops en desktopcomputers. De ideale technologie zou klein genoeg zijn om in een computerchip te worden geïntegreerd.
Tot nu toe, zegt Mongia, had het geen zin om het elektrocalorische effect voor chipkoeling te onderzoeken. De eerste keramische materialen vertoonden niet voldoende grote temperatuurveranderingen - chipkoeling vereist reducties van ten minste 10 ° C - en de meer recente keramiek werkt niet bij voldoende lage temperaturen. Ze bevatten ook lood, een gevaarlijk materiaal dat moeilijk veilig kan worden verwijderd. De polymeren hebben die nadelen niet. Het feit dat ze een polymeerachtig materiaal hebben kunnen ontwikkelen dat in een relatief dunne film kan worden gebruikt, is een tweede blik waard, zegt Mongia. Het werkt ook in een temperatuurbereik dat voor ons van belang is.
Maar chipkoelingsapparaten zullen enige tijd nodig hebben om te arriveren. Het kost nu 120 volt om het polymeer zijn atomaire rangschikking te laten veranderen, en dat cijfer zou veel lager moeten zijn als het materiaal in laptops wordt gebruikt. In het ideale geval wil je dat het werkt met spanningen die gebruikelijk zijn in het rijk van een notebook, in de tientallen volts of minder, zegt Mongia. De onderzoekers zullen ook een werkend apparaat moeten ontwerpen dat de dunne films bevat.
Elektrocalorische materialen kunnen koelkasten groener maken. Huidige huishoudelijke koelkasten gebruiken een dampcompressiecyclus, waarbij een koelmiddel heen en weer wordt omgezet tussen vloeistof en damp om warmte uit het geïsoleerde compartiment te absorberen. De behoefte aan mechanische compressie verlaagt de efficiëntie van de koelkast. Dampgekoelde koelkasten zijn 30 tot 40 procent efficiënt, zegt Mathur. Maar omdat elektrocalorische materialen geen bewegende delen hebben, kunnen ze leiden tot koelapparaten die energiezuiniger zijn dan de huidige koelkasten. Bovendien dragen de huidige koelmiddelen met fluorkoolwaterstoffen bij aan de opwarming van de aarde.
Koelkasten die gebruikmaken van elektrocalorische materialen zouden een voordeel hebben ten opzichte van de magnetische koelsystemen die sommige bedrijven en onderzoeksgroepen ontwikkelen. Elektrische velden die groot genoeg zijn om aanzienlijke temperatuurveranderingen in elektrocalorische materialen te veroorzaken, zijn veel gemakkelijker en goedkoper te produceren dan de magnetische velden die worden gebruikt in experimentele koelsystemen, waarvoor grote supergeleidende magneten of dure permanente magneten nodig zijn. Koelkasten hebben echter een temperatuurbereik van 40 °C nodig, wat op dit moment een hele opgave is voor elektrocalorische materialen, zegt Mathur. Het belangrijkste knelpunt in termen van de technologie is dat we dunne films hebben en dat je niet veel kunt koelen met een dunne film.
Zhang en zijn collega's proberen nu betere elektrocalorische polymeren te ontwerpen. Ze zijn van plan om polymeren te bestuderen die zijn gemaakt van vloeibare kristallen, die worden gebruikt in platte beeldschermen. Vloeibare kristallen bevatten staafvormige moleculen die zullen worden uitgelijnd met een elektrisch veld en terugkeren naar hun oorspronkelijke rangschikking wanneer het veld wordt verwijderd. Zhang zegt dat deze eigenschap kan worden benut om materialen te maken die grote hoeveelheden warmte absorberen en afgeven als reactie op elektrische velden.