Los materiales cuyas propiedades electrónicas y magnéticas se pueden cambiar significativamente mediante la aplicación de entradas eléctricas forman la columna vertebral de toda la electrónica moderna. Pero lograr el mismo tipo de control sintonizable sobre la conductividad térmica de cualquier material ha sido una búsqueda difícil de alcanzar.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT ha dado un gran paso adelante. Han diseñado un dispositivo buscado desde hace mucho tiempo, a la que se refieren como "válvula de calor eléctrica, "que puede variar la conductividad térmica a demanda. Demostraron que la capacidad del material para conducir el calor se puede" ajustar "en un factor de 10 a temperatura ambiente.

Esta técnica podría abrir la puerta a nuevas tecnologías para el aislamiento controlable en ventanas inteligentes, paredes inteligentes, ropa elegante, o incluso nuevas formas de aprovechar la energía del calor residual.

Los hallazgos se informan hoy en la revista. Materiales de la naturaleza , en un artículo de los profesores del MIT Bilge Yildiz y Gang Chen, recién graduados Qiyang Lu Ph.D. '18 y Samuel Huberman Ph.D. '18, y otros seis en el MIT y en el Laboratorio Nacional Brookhaven.

La conductividad térmica describe qué tan bien se puede transferir el calor a través de un material. Por ejemplo, es la razón por la que puedes coger fácilmente una sartén caliente con mango de madera, debido a la baja conductividad térmica de la madera, pero puede quemarse al recoger una sartén similar con mango de metal, que tiene alta conductividad térmica.

Los investigadores utilizaron un material llamado óxido de estroncio cobalto (SCO), que se puede hacer en forma de películas delgadas. Al agregar oxígeno al SCO en una forma cristalina llamada brownmillerita, Aumento de la conductividad térmica. La adición de hidrógeno provocó una disminución de la conductividad.

El proceso de agregar o eliminar oxígeno e hidrógeno se puede controlar simplemente variando un voltaje aplicado al material. En esencia, el proceso es impulsado electroquímicamente. En general, a temperatura ambiente, los investigadores encontraron que este proceso proporcionó una variación diez veces mayor en la conducción de calor del material. Tal rango de orden de magnitud de variación controlable eléctricamente nunca antes se había visto en ningún material, dicen los investigadores.

En los materiales más conocidos, la conductividad térmica es invariable:la madera nunca conduce bien el calor, y los metales nunca conducen mal el calor. Como tal, cuando los investigadores encontraron que agregar ciertos átomos a la estructura molecular de un material podría aumentar su conductividad térmica, fue un resultado inesperado. Si algo, agregando los átomos adicionales - o, más específicamente, iones, átomos despojados de algunos electrones, o con exceso de electrones, para darles una carga neta, debería empeorar la conductividad (que, resultó, fue el caso al agregar hidrógeno, pero no oxígeno).

"Fue una sorpresa para mí cuando vi el resultado, ", Dice Chen. Pero después de más estudios del sistema, él dice, "ahora tenemos una mejor comprensión" de por qué ocurre este fenómeno inesperado.

Resulta que la inserción de iones de oxígeno en la estructura de la brownmillerita SCO la transforma en lo que se conoce como estructura de perovskita, una que tiene una estructura aún más ordenada que la original. "Va de una estructura de baja simetría a una de alta simetría. También reduce la cantidad de los llamados sitios de defectos de vacancia de oxígeno. Estos juntos conducen a su mayor conducción de calor, "Dice Yildiz.

El calor se conduce fácilmente a través de estructuras tan ordenadas, mientras que tiende a dispersarse y disiparse por estructuras atómicas muy irregulares. Introduciendo iones de hidrógeno, por el contrario, provoca una estructura más desordenada.

"Podemos introducir más orden, que aumenta la conductividad térmica, o podemos introducir más desorden, lo que da lugar a una conductividad más baja. Podríamos resolver esto realizando un modelado computacional, además de nuestros experimentos, "Explica Yildiz.

Si bien la conductividad térmica se puede variar en aproximadamente un factor de 10 a temperatura ambiente, a temperaturas más bajas la variación es aún mayor, ella agrega.

El nuevo método permite variar continuamente ese grado de orden, en ambas direcciones, simplemente variando un voltaje aplicado al material de película delgada. El material se sumerge en un líquido iónico (esencialmente una sal líquida) o en contacto con un electrolito sólido, que suministra iones de oxígeno negativos o iones de hidrógeno positivos (protones) al material cuando se activa el voltaje. En el caso del electrolito líquido, la fuente de oxígeno e hidrógeno es la hidrólisis del agua del aire circundante.

"Lo que hemos mostrado aquí es realmente una demostración del concepto, "Yildiz explica. El hecho de que requieran el uso de un medio de electrolito líquido para el rango completo de hidrogenación y oxigenación hace que esta versión del sistema" no sea fácilmente aplicable a un dispositivo totalmente de estado sólido, "que sería el objetivo final, ella dice. Se necesitarán más investigaciones para producir una versión más práctica. "Sabemos que hay materiales electrolíticos de estado sólido" que teóricamente podrían sustituir a los líquidos, ella dice. El equipo continúa explorando estas posibilidades, y también han demostrado dispositivos de trabajo con electrolitos sólidos.

Chen dice que "hay muchas aplicaciones en las que desea regular el flujo de calor". Por ejemplo, para el almacenamiento de energía en forma de calor, como por ejemplo de una instalación termosolar, Sería útil tener un recipiente que pudiera ser muy aislante para retener el calor hasta que se necesite, pero que luego podría cambiarse para ser altamente conductivo cuando llega el momento de recuperar ese calor. "El santo grial sería algo que podríamos usar para almacenar energía, ", dice." Ese es el sueño, pero aún no hemos llegado ".

Pero este hallazgo es tan nuevo que también puede haber una variedad de otros usos potenciales. Este enfoque, Yildiz dice:"podría abrir nuevas aplicaciones en las que no habíamos pensado antes". Y aunque el trabajo se limitó inicialmente al material SCO, "el concepto es aplicable a otros materiales, porque sabemos que podemos oxigenar o hidrogenar una variedad de materiales eléctricamente, electroquímicamente ", dice. Además, aunque esta investigación se centró en cambiar las propiedades térmicas, el mismo proceso en realidad también tiene otros efectos, Chen dice:"No solo cambia la conductividad térmica, pero también cambia las propiedades ópticas ".

"Esta es una forma verdaderamente innovadora y novedosa de utilizar la inserción y extracción de iones en sólidos para ajustar o cambiar la conductividad térmica, "dice Juergen Fleig, profesor de tecnología química y análisis en la Universidad de Viena, Austria, que no estuvo involucrado en este trabajo. "Los efectos medidos (causados ​​por transiciones de dos fases) no solo son bastante grandes sino también bidireccionales, que está saliendo. También me impresiona que los procesos funcionen tan bien a temperatura ambiente, ya que tales materiales de óxido se hacen funcionar normalmente a temperaturas mucho más altas ".

Yongjie Hu, profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Universidad de California en Los Ángeles, quien tampoco estuvo involucrado en este trabajo, dice:"El control activo sobre el transporte térmico es fundamentalmente desafiante. Este es un estudio muy emocionante y representa un paso importante para lograr el objetivo. Es el primer informe que ha analizado en detalle las estructuras y propiedades térmicas de las fases de tres estados, y puede abrir nuevos espacios para aplicaciones energéticas y de gestión térmica ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.