26 feb. 2020
2 minuten
Onderzoekers aan het MIT hebben een ‘elektrische warmteklep’ ontworpen, een apparaat dat de thermische geleidbaarheid van materialen naar behoefte kan variëren. Ze slaagden erin om het vermogen van het materiaal om warmte te geleiden bij kamertemperatuur met een factor 10 te beïnvloeden. Een dergelijk orde van grootte bereik van elektrisch bestuurbare variatie is nog nooit eerder in enig materiaal gezien, zeggen de onderzoekers. Bij lagere temperaturen is het effect nog groter.
De bevindingen zijn gepubliceerd in Nature.
Deze techniek kan de deur openen naar nieuwe technologieën voor regelbare isolatie in slimme ramen, muren en kleding, of zelfs naar nieuwe manieren om de energie van afvalwarmte te oogsten. Onderzoeker Gang Chen: "Er zijn veel toepassingen waarbij je de warmtestroom wilt regelen. Voor energieopslag in de vorm van warmte, zoals bij een zonne-thermische installatie, zou het bijvoorbeeld handig zijn om een container te hebben die sterk isolerend is om de warmte vast te houden totdat deze nodig is en die vervolgens kan worden geschakeld zeer geleidend wanneer het tijd is om die warmte op te halen."
De onderzoekers gebruikten strontium-kobaltoxide (SCO) in de vorm van dunne films. Door toevoeging van zuurstof aan SCO in het kristallijne brownmillerite, nam de thermische geleidbaarheid toe. Door waterstof toe te voegen nam de geleidbaarheid af. Het proces van het toevoegen of verwijderen van zuurstof en waterstof kan eenvoudig worden geregeld door het voltage van het materiaal te variëren. In wezen is het proces elektrochemisch aangedreven.
In de meeste bekende materialen is thermische geleidbaarheid onveranderlijk. Toen de onderzoekers ontdekten dat het toevoegen van bepaalde atomen aan de moleculaire structuur van een materiaal de warmtegeleiding daadwerkelijk kon verhogen, was dit dan ook een onverwacht resultaat. Het toevoegen van de extra ionen zou de geleidbaarheid slechter moeten maken (wat het geval was bij het toevoegen van waterstof , maar niet bij zuurstof).
Orde?
Het blijkt echter dat het plaatsen van zuurstofionen in de structuur van de brownmillerite SCO deze transformeert in een zogenoemde perovskietstructuur, een structuur met een nog meer geordende structuur dan het origineel. Warmte wordt gemakkelijk door dergelijke zeer geordende structuren geleid, terwijl het de neiging heeft om te worden verspreid en afgevoerd door zeer onregelmatige atoomstructuren. "De brownmillerite ging van een structuur met lage symmetrie naar een structuur met een hoge symmetrie. Bovendien verminderde het aantal ontbrekende zuurstofatomen. Samen leidt dit tot de betere warmtegeleiding", zegt onderzoeker Bilge Yildiz.
De introductie van waterstofionen veroorzaakt daarentegen juist een meer ongeordende structuur. "We kunnen dus meer orde introduceren, wat de thermische geleidbaarheid verhoogt, of we kunnen meer wanorde introduceren, wat leidt tot een lagere geleidbaarheid. We kunnen dit uitzoeken door naast onze experimenten computermodellering uit te voeren", legt Yildiz uit.
Dit kan zowel met een ionische vloeistof (een vloeibaar zout) of een vaste elektrolyt. Met een vloeibaar zout werkt het vooralsnog echter wel beter. De onderzoekers zoeken nog naar mogelijkheden om de werking met een vast elektrolyt te verbeteren.
Anderen lazen ook
