211service.com
Et plastik der køler
Tynde film af en ny polymer udviklet i Penn State ændrer temperatur som reaktion på skiftende elektriske felter. Penn State-forskerne, som rapporterede det nye materiale i Videnskab i sidste uge, siger, at det kan føre til nye teknologier til køling af computerchips og til miljøvenlige køleskabe.
Cool spole: Film af en specialdesignet polymer, kun 0,4 til 2,0 mikrometer tyk, kan blive koldere eller varmere med 12 °C, når et elektrisk felt fjernes eller påføres på tværs af dem.
Ændring af det elektriske felt omarrangerer polymerens atomer, ændrer dens temperatur; dette kaldes den elektrokaloriske effekt. I en køleenhed vil der blive påført en spænding på materialet, som derefter vil blive bragt i kontakt med det, det er beregnet til at køle. Materialet ville varme op, sende sin energi til en køleplade eller frigive den til atmosfæren. Reduktion af det elektriske felt ville bringe polymeren tilbage til en lav temperatur, så den kunne genbruges.
I et papir fra 2006 i Videnskab , Cambridge University forskere ledet af materiale videnskabsmand Neil Mathur beskrev keramiske materialer, der også udviste den elektrokaloriske effekt, men kun ved temperaturer på omkring 220 °C. Driftstemperaturen for en computerchip er betydeligt lavere - normalt et sted omkring 85 °C - og et køkkenkøleskab skal stadig fungere ved lavere temperaturer. Penn State-polymeren viser det samme 12-graders sving, som keramikken gjorde, men den virker ved relativt lave 55 °C.
Polymeren absorberer også varme bedre. I et køleapparat skal du udover temperaturændringer også vide, hvor meget varme den kan absorbere fra steder, du skal køle, siger Qiming Zhang , en elektrisk ingeniørprofessor ved Penn State, der ledede det nye arbejde. Polymeren, siger Zhang, kan absorbere syv gange så meget varme som keramikken.
Zhang tilskriver disse kvaliteter til det mere fleksible arrangement af atomer i polymerer. I en keramik er atomer mere stive, så det er sværere at flytte dem, siger han. Atomer kan flyttes i polymerer meget lettere ved hjælp af et elektrisk felt, så den elektrokaloriske effekt i polymer er meget bedre end keramik.
Materialets egenskaber gør det til en attraktiv kandidat til bærbare køleapplikationer, siger Intel-ingeniør Rajiv Mongia, der studerer køleteknologier. Computerproducenter leder efter mindre omfangsrige alternativer til de køleplader og støjende blæsere, der i øjeblikket bruges i bærbare og stationære computere. Den ideelle teknologi ville være lille nok til at blive integreret i en computerchip.
Indtil nu, siger Mongia, havde det ikke givet mening at udforske den elektrokaloriske effekt for spånkøling. De første keramiske materialer udviste ikke store nok temperaturændringer - spånkøling kræver reduktioner på mindst 10 °C - og de nyere keramik fungerer ikke ved lave nok temperaturer. De indeholder også bly, et farligt materiale, som er svært at bortskaffe sikkert. Polymererne har ikke disse ulemper. Det faktum, at de har været i stand til at udvikle et polymermateriale, der kan bruges i en relativt tynd film, er et ekstra kig værd, siger Mongia. Det fungerer også i et temperaturområde, der er af interesse for os.
Men chip-kølende enheder vil tage et stykke tid at ankomme. Det tager nu 120 volt at få polymeren til at ændre sit atomarrangement, og det tal skal være meget lavere, hvis materialet skal bruges i bærbare computere. Ideelt set vil du have, at den skal fungere ved spændinger, der er almindelige inden for en notebooks område, i snesevis af volt eller mindre, siger Mongia. Forskerne bliver også nødt til at konstruere en fungerende enhed, der indeholder de tynde film.
Elektrokaloriske materialer kan gøre køleskabe grønnere. Nuværende husholdningskøleskabe bruger en dampkompressionscyklus, hvor et kølemiddel omdannes frem og tilbage mellem væske og damp for at absorbere varme fra det isolerede rum. Behovet for mekanisk kompression sænker køleskabets effektivitet. Dampkølede køleskabe er 30 til 40 procent effektive, siger Mathur. Men fordi elektrokaloriske materialer ikke har nogen bevægelige dele, kan de føre til køleanordninger, der er mere energieffektive end nuværende køleskabe. Hvad mere er, bidrager de nuværende hydrofluorcarbonkølemidler til den globale opvarmning.
Køleskabe, der bruger elektrokaloriske materialer, ville have en fordel i forhold til de magnetiske kølesystemer, som nogle virksomheder og forskningsgrupper er ved at udvikle. Elektriske felter, der er store nok til at producere væsentlige temperaturændringer i elektrokaloriske materialer, er meget nemmere og billigere at producere end de magnetiske felter, der bruges i eksperimentelle kølesystemer, som kræver store superledende magneter eller dyre permanente magneter. Køleskabe har dog brug for temperaturspænd på 40 °C, hvilket er en høj ordre for elektrokaloriske materialer lige nu, siger Mathur. Det væsentligste problem i forhold til teknologien er, at vi har tynde film, og man kan ikke køle ret meget med en tynd film.
Zhang og hans kolleger forsøger nu at designe bedre elektrokaloriske polymerer. De planlægger at studere polymerer lavet af flydende krystaller, som bruges i fladskærme. Flydende krystaller indeholder stavformede molekyler, der vil flugte med et elektrisk felt og vende tilbage til deres oprindelige arrangement, når feltet fjernes. Zhang siger, at denne egenskab kunne udnyttes til at lave materialer, der absorberer og frigiver store mængder varme som reaktion på elektriske felter.