211service.com
Plastik, który chłodzi
Cienkie warstwy nowego polimeru opracowanego w Penn State zmieniają temperaturę w odpowiedzi na zmieniające się pola elektryczne. Naukowcy z Penn State, którzy zgłosili nowy materiał w Nauka w zeszłym tygodniu mówią, że może to doprowadzić do nowych technologii chłodzenia chipów komputerowych i przyjaznych dla środowiska lodówek.
Fajna szpula: Folie ze specjalnie zaprojektowanego polimeru, o grubości zaledwie 0,4 do 2,0 mikrometrów, mogą stać się zimniejsze lub cieplejsze o 12°C po usunięciu lub przyłożeniu do nich pola elektrycznego.
Zmiana pola elektrycznego przestawia atomy polimeru, zmieniając jego temperaturę; nazywa się to efektem elektrokalorycznym. W urządzeniu chłodzącym do materiału zostanie przyłożone napięcie, które następnie styka się z tym, co ma chłodzić. Materiał nagrzewałby się, przekazując swoją energię do radiatora lub uwalniając ją do atmosfery. Zmniejszenie pola elektrycznego sprowadziłoby polimer z powrotem do niskiej temperatury, aby można go było ponownie wykorzystać.
W artykule z 2006 roku w Nauka , naukowcy z Cambridge University kierowani przez materiałoznawcę Neil Mathur opisał materiały ceramiczne, które również wykazywały efekt elektrokaloryczny, ale tylko w temperaturach około 220 °C. Temperatura pracy chipa komputerowego jest znacznie niższa – zwykle około 85 °C – a lodówka kuchenna musiałaby nadal działać w niższych temperaturach. Polimer Penn State wykazuje takie same wahania o 12 stopni, jak ceramika, ale działa w stosunkowo niskiej temperaturze 55 °C.
Polimer lepiej pochłania również ciepło. W urządzeniu chłodzącym oprócz zmiany temperatury musisz także wiedzieć, ile ciepła może pochłonąć z miejsc, które musisz schłodzić, mówi Qiming Zhang , profesor inżynierii elektrycznej w Penn State, który kierował nową pracą. Polimer, jak mówi Zhang, może wchłonąć siedmiokrotnie więcej ciepła niż ceramika.
Zhang przypisuje te cechy bardziej elastycznemu układowi atomów w polimerach. W ceramice atomy są sztywniejsze, więc trudniej jest nimi poruszać – mówi. Atomy mogą być znacznie łatwiej przemieszczane w polimerach za pomocą pola elektrycznego, dzięki czemu efekt elektrokaloryczny w polimerze jest znacznie lepszy niż w ceramice.
Właściwości materiału sprawiają, że jest on atrakcyjnym kandydatem do zastosowań w chłodzeniu laptopów, mówi inżynier Intel Rajiv Mongia, który bada technologie chłodnicze. Producenci komputerów szukają mniej obszernych alternatyw dla radiatorów i hałaśliwych wentylatorów stosowanych obecnie w laptopach i komputerach stacjonarnych. Idealna technologia byłaby na tyle mała, aby można ją było zintegrować z chipem komputerowym.
Do tej pory, mówi Mongia, badanie efektu elektrokalorycznego chłodzenia chipów nie miało sensu. Pierwsze materiały ceramiczne nie wykazywały wystarczająco dużych zmian temperatury – chłodzenie wiórów wymaga redukcji o co najmniej 10 ° C – a nowsze materiały ceramiczne nie działają w wystarczająco niskich temperaturach. Zawierają również ołów, niebezpieczny materiał, który trudno jest bezpiecznie zutylizować. Polimery nie mają tych wad. Fakt, że udało im się opracować materiał polimerowy, który można wykorzystać w stosunkowo cienkiej folii, jest wart drugiego spojrzenia, mówi Mongia. Ponadto pracuje w interesującym nas zakresie temperatur.
Jednak dostarczenie urządzeń do chłodzenia chipów zajmie trochę czasu. Teraz potrzeba 120 woltów, aby polimer zmienił swój układ atomowy, a liczba ta musiałaby być znacznie niższa, jeśli materiał ma być używany w laptopach. Najlepiej, jeśli chcesz, aby działał przy napięciach typowych dla notebooków, rzędu dziesiątek woltów lub mniej, mówi Mongia. Naukowcy będą również musieli zaprojektować działające urządzenie zawierające cienkie warstwy.
Materiały elektrokaloryczne mogą sprawić, że lodówki będą bardziej ekologiczne. Obecne lodówki dla gospodarstw domowych wykorzystują cykl sprężania pary, w którym czynnik chłodniczy jest przekształcany tam iz powrotem między cieczą a parą, aby zaabsorbować ciepło z izolowanej komory. Konieczność mechanicznej kompresji obniża wydajność lodówki. Lodówki chłodzone parą są wydajne od 30 do 40 procent, mówi Mathur. Ale ponieważ materiały elektrokaloryczne nie mają ruchomych części, mogą prowadzić do bardziej energooszczędnych urządzeń chłodzących niż obecne lodówki. Co więcej, obecne czynniki chłodnicze fluorowęglowodorowe przyczyniają się do globalnego ocieplenia.
Lodówki wykorzystujące materiały elektrokaloryczne miałyby przewagę nad magnetycznymi systemami chłodzenia opracowywanymi przez niektóre firmy i grupy badawcze. Pola elektryczne wystarczająco duże, aby wywołać znaczne zmiany temperatury w materiałach elektrokalorycznych, są znacznie łatwiejsze i tańsze w produkcji niż pola magnetyczne stosowane w eksperymentalnych układach chłodniczych, które wymagają dużych magnesów nadprzewodzących lub drogich magnesów trwałych. Jednak lodówki wymagają rozpiętości temperatur na poziomie 40 °C, co jest obecnie wysokim poziomem dla materiałów elektrokalorycznych, mówi Mathur. Główną kwestią sporną pod względem technologii jest to, że mamy cienkie folie, a cienką folią nie da się zbytnio schłodzić.
Zhang i jego koledzy próbują teraz zaprojektować lepsze polimery elektrokaloryczne. Planują zbadać polimery wykonane z ciekłych kryształów, które są wykorzystywane w wyświetlaczach płaskich. Ciekłe kryształy zawierają molekuły w kształcie pręcików, które dopasują się do pola elektrycznego i powrócą do swojego pierwotnego układu po usunięciu pola. Zhang twierdzi, że tę właściwość można wykorzystać do wytwarzania materiałów, które pochłaniają i uwalniają duże ilości ciepła w odpowiedzi na pola elektryczne.