211service.com
En plast som kyler
Tunna filmer av en ny polymer utvecklad i Penn State ändrar temperatur som svar på förändrade elektriska fält. Penn State-forskarna, som rapporterade det nya materialet i Vetenskap förra veckan, säger att det kan leda till ny teknik för kylning av datorchips och till miljövänliga kylskåp.
Cool spole: Filmer av en specialdesignad polymer, bara 0,4 till 2,0 mikrometer tjocka, kan bli kallare eller varmare med 12 °C när ett elektriskt fält avlägsnas eller appliceras över dem.
Att ändra det elektriska fältet omarrangerar polymerens atomer, ändrar dess temperatur; detta kallas den elektrokaloriska effekten. I en kylanordning skulle en spänning appliceras på materialet, som sedan skulle komma i kontakt med vad det än är avsett att kyla. Materialet skulle värmas upp, skicka sin energi till en kylfläns eller släppa ut den i atmosfären. En minskning av det elektriska fältet skulle föra tillbaka polymeren till en låg temperatur så att den kunde återanvändas.
I en tidning från 2006 i Vetenskap , Cambridge University forskare under ledning av materialforskare Neil Mathur beskrev keramiska material som också uppvisade den elektrokaloriska effekten, men endast vid temperaturer på cirka 220 °C. Driftstemperaturen för ett datorchip är betydligt lägre – vanligtvis någonstans runt 85 °C – och ett kökskylskåp måste fortfarande fungera vid lägre temperaturer. Penn State-polymeren visar samma 12-graderssvängning som keramiken gjorde, men den fungerar vid relativt låga 55 °C.
Polymeren absorberar också värme bättre. I en kylanordning behöver du förutom temperaturförändringar också veta hur mycket värme den kan absorbera från platser du behöver kyla, säger Qiming Zhang , en elektroteknikprofessor vid Penn State, som ledde det nya arbetet. Polymeren, säger Zhang, kan absorbera sju gånger så mycket värme som keramen.
Zhang tillskriver dessa egenskaper till det mer flexibla arrangemanget av atomer i polymerer. I en keramik är atomer styvare, så det är svårare att flytta dem, säger han. Atomer kan flyttas i polymerer mycket lättare med hjälp av ett elektriskt fält, så den elektrokaloriska effekten i polymer är mycket bättre än keramik.
Materialets egenskaper gör det till en attraktiv kandidat för datorkylningstillämpningar, säger Intels ingenjör Rajiv Mongia, som studerar kylteknik. Datortillverkare letar efter mindre skrymmande alternativ till de kylflänsar och bullriga fläktar som för närvarande används i bärbara och stationära datorer. Den idealiska tekniken skulle vara tillräckligt liten för att integreras i ett datorchip.
Fram till nu, säger Mongia, hade det inte varit meningsfullt att utforska den elektrokaloriska effekten för chipkylning. De första keramiska materialen uppvisade inte tillräckligt stora temperaturförändringar – spånkylning kräver sänkningar på minst 10 °C – och de nyare keramerna fungerar inte vid tillräckligt låga temperaturer. De innehåller också bly, ett farligt material som är svårt att kassera på ett säkert sätt. Polymererna har inte dessa nackdelar. Det faktum att de har kunnat utveckla ett material av polymertyp som kan användas i en relativt tunn film är värt en andra titt, säger Mongia. Dessutom fungerar den i ett temperaturområde som är av intresse för oss.
Men chip-kylningsenheter kommer att ta ett tag att komma fram. Det krävs nu 120 volt för att få polymeren att ändra sitt atomarrangemang, och den siffran skulle behöva vara mycket lägre om materialet ska användas i bärbara datorer. Helst vill du att den ska fungera vid spänningar som är vanliga inom en bärbar dator, på tiotals volt eller mindre, säger Mongia. Forskarna kommer också att behöva konstruera en fungerande enhet som innehåller de tunna filmerna.
Elektrokaloriska material kan göra kylskåp grönare. Nuvarande hushållskylskyl använder en ångkompressionscykel, där ett köldmedium omvandlas fram och tillbaka mellan vätska och ånga för att absorbera värme från det isolerade facket. Behovet av mekanisk kompression sänker kylens effektivitet. Ångkylda kylskåp är 30 till 40 procent effektiva, säger Mathur. Men eftersom elektrokaloriska material inte har några rörliga delar kan de leda till kylanordningar som är mer energieffektiva än nuvarande kylskåp. Dessutom bidrar nuvarande fluorkolvätens köldmedier till den globala uppvärmningen.
Kylskåp som använder elektrokaloriska material skulle ha en fördel framför de magnetiska kylsystem som vissa företag och forskargrupper utvecklar. Elektriska fält som är tillräckligt stora för att producera betydande temperaturförändringar i elektrokaloriska material är mycket enklare och billigare att producera än de magnetiska fält som används i experimentella kylsystem, som kräver stora supraledande magneter eller dyra permanentmagneter. Kylskåp behöver dock temperaturområden på 40 °C, vilket är en hög order för elektrokaloriska material just nu, säger Mathur. Den huvudsakliga problematiken när det gäller tekniken är att vi har tunna filmer, och du kan inte kyla särskilt mycket med en tunn film.
Zhang och hans kollegor försöker nu designa bättre elektrokaloriska polymerer. De planerar att studera polymerer gjorda av flytande kristaller, som används i platta bildskärmar. Flytande kristaller innehåller stavformade molekyler som kommer i linje med ett elektriskt fält och återgå till sitt ursprungliga arrangemang när fältet tas bort. Zhang säger att den här egenskapen skulle kunna utnyttjas för att göra material som absorberar och avger stora mängder värme som svar på elektriska fält.