材料的绝缘性能可以随意调节

电子和磁性能通过施加电输入而显著改变的材料构成了所有现代电子学的支柱。但是，对任何材料的热导率实现同样的可调控制一直是一个难以捉摸的探索。

麻省理工学院的研究人员设计了一种长期寻求的设备，他们称之为“电热阀”，可以根据需要改变热导率。他们证明，这种材料的导热能力在室温下可以“调节”10倍。

这项技术有可能为智能窗户、智能墙壁的可控绝缘新技术打开大门，并可能开发出收集废热能量的新方法。

热导率描述了热量在材料中的传递情况。例如，这就是为什么你可以很容易地拿起一个有木柄的热煎锅，因为木头的导热性很低，但你可能会拿起一个类似的有金属柄的煎锅，它的导热性很高。

研究人员使用了一种叫做氧化锶钴(SCO)的材料，这种材料可以制成薄膜。通过将氧气以称为褐针铁矿的晶体形式加入SCO，热导率提高。加入氢会导致电导率下降。

添加或去除氧和氢的过程可以通过改变施加在材料上的电压来简单地控制。从本质上讲，这个过程是由电化学驱动的。总的来说，在室温下，研究人员发现这一过程对材料的热传导产生了十倍的变化。研究人员说，这样一个数量级的电可控变化范围在任何材料中都从未见过。

在大多数已知的材料中，导热系数是不变的——木材的导热性能从来都不好，金属的导热性能也从来都很好。因此，当研究人员发现在一种材料的分子结构中添加某些原子实际上可以提高其热导率时，这是一个意想不到的结果。如果有什么不同的话，加入额外的原子——或者更具体地说，离子，剥离了一些电子的原子，或者带了多余的电子，以使它们带净电荷——应该会使导电性变差(事实证明，加入氢时是这样，而不是氧时)。

麻省理工学院教授陈刚说:“当我看到这个结果时，我很惊讶。”但在对该系统进行进一步研究后，他说，“现在我们对这种意外现象发生的原因有了更好的理解”。

事实证明，将氧离子插入到棕色针镍矿SCO的结构中，将其转变为所谓的钙钛矿结构，这种结构比原来的结构更加有序。“它从低对称结构变成了高对称结构。它还减少了所谓的氧空位缺陷位点的数量。这些共同导致了更高的热传导，”麻省理工学院教授Bilge Yildiz说。

热很容易通过这种高度有序的结构传导，而它往往被高度不规则的原子结构散射和消散。相比之下，引入氢离子会导致更混乱的结构。

“我们可以引入更多的有序，从而提高热导率，也可以引入更多的无序，从而降低导热率。除了我们的实验，我们还可以通过计算建模来解决这个问题。”Yildiz说。她补充说，虽然热导率在室温下可以变化约10倍，但在较低温度下变化更大。

这种新方法可以通过改变施加在薄膜材料上的电压，在两个方向上连续地改变这种顺序程度。该材料要么浸泡在离子液体(本质上是一种液态盐)中，要么与固体电解质接触，当电压打开时，固体电解质会向材料中提供负氧离子或正氢离子(质子)。在液态电解质的情况下，氧和氢的来源是周围空气中的水水解。

Yildiz说:“我们在这里展示的是对这一概念的真正演示。”事实上，它们需要使用液态电解质介质进行全方位的氢化和氧化，这使得该版本的系统“不容易适用于全固态设备”，这将是最终目标，她说。需要进一步的研究才能产生更实用的版本。“我们知道有固态电解质材料”，理论上可以取代液体，她说。该团队正在继续探索这些可能性，并已经演示了固体电解质的工作装置。

Chen说:“有很多应用需要调节热流。”例如，对于热量形式的能量存储，例如太阳能热装置，有一个高度绝缘的容器将会很有用，它可以在需要时保留热量，但当需要回收热量时，它可以转换为高度导电。“圣杯将是我们可以用来储存能量的东西，”他说。“这是我们的梦想，但我们还没有实现。”

但这一发现太新了，可能还有其他各种潜在用途。Yildiz说，这种方法“可以开辟我们以前没有想到的新应用。”她说，虽然这项工作最初仅限于SCO材料，但“这个概念也适用于其他材料，因为我们知道我们可以通过电化学方式对一系列材料进行氧化或氢化。”此外，虽然这项研究的重点是改变热性能，但同样的过程实际上也有其他影响，陈说:“它不仅改变了热导率，还改变了光学性能。”

奥地利维也纳大学化学技术和分析学教授Juergen Fleig说:“这是一种真正创新的方法，可以在固体中使用离子插入和提取来调节或切换热导率。”他没有参与这项工作。“测量到的影响(由两个相变引起)不仅相当大，而且是双向的，这是令人兴奋的。令我印象深刻的是，这种工艺在室温下也能很好地工作，因为这种氧化物材料通常在更高的温度下工作。”

加州大学洛杉矶分校机械和航空航天工程副教授胡永杰也没有参与这项工作，他说:“对热传输的主动控制从根本上来说是一个挑战。这是一项非常令人兴奋的研究，代表着实现目标的重要一步。这是第一份详细研究了三态相的结构和热性能的报告，并可能为热管理和能源应用开辟新的场所。”

麻省理工学院

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-副主编克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．

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