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Jun 09, 2023

研究者はより多くのエネルギーを得るために材料の熱伝導率を「オンザフライ」で調整します

8 giugno 2023 Questo articolo

2023 年 6 月 8 日

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ミネソタ大学著

ミネソタ大学ツインシティーズの科学者とエンジニアが率いるチームは、材料の熱伝導率を調整して「その場で」熱流を制御する新しい方法を発見しました。 その調整範囲は、この分野のワンステッププロセスの中でこれまでに記録された最高値であり、よりエネルギー効率が高く耐久性のある電子デバイスの開発への扉を開くことになります。

研究者の論文はNature Communications誌に掲載される。

電気伝導率が材料がどれだけ電気を輸送できるかを決定するのと同様に、熱伝導率は材料がどれだけ熱を輸送できるかを示します。 たとえば、フライパンの製造に使用される多くの金属は熱伝導率が高いため、熱を効率的に伝えて食品を調理できます。

通常、材料の熱伝導率は一定で変化しない値です。 しかし、ミネソタ大学のチームは、燃料電池でよく使用される材料であるランタンストロンチウムコバルタイトのこの値を「調整」する簡単なプロセスを発見しました。 スイッチが電球への電気の流れを制御するのと同じように、研究者の手法は、デバイス内の熱の流れをオンまたはオフにする方法を提供します。

「材料がどの程度熱を伝達できるかを制御することは、日常生活や産業において非常に重要です」と、この研究の共同責任著者でミネソタ大学機械工学科の准教授であるXiaojia Wang氏は述べた。 「この研究により、私たちは熱伝導率の記録的な高さの調整を達成し、人々が毎日使用する電子デバイスにおける効果的な熱管理とエネルギー消費の可能性を示しました。適切に設計され機能する熱管理システムは、より良いユーザーエクスペリエンスと、デバイスの耐久性を高めます。」

ワン氏のチームは、研究室が材料合成を専門とするミネソタ大学マックナイト大学のクリス・レイトン特別教授と協力して研究を行った。

レイトン氏のチームは、イオン（電荷を持った分子）が材料の表面に駆動される電解質ゲートと呼ばれるプロセスを使用して、ランタン・ストロンチウム・コバルタイト・デバイスを製造した。 これにより、ワン氏と研究チームは、材料に低電圧を印加して材料を操作できるようになりました。

「電解質ゲーティングは、材料の特性を制御するための非常に強力な技術であり、電子的、磁気的、光学的挙動の電圧制御については十分に確立されています」と、この研究の共同責任著者であり同大学の教員であるレイトン氏は述べた。ミネソタ州の化学工学および材料科学科の博士号を取得。 「この新しい研究は、物理的動作の電圧制御があまり研究されていない熱特性の領域にこのアプローチを適用しています。私たちの結果は、低消費電力で、印象的な範囲にわたって連続的に調整可能な熱伝導率を確立し、いくつかの非常に魅力的な潜在的なデバイスアプリケーションを切り開きます。 」

「ランタン・ストロンチウム・コバルタイト膜は非常に薄いため、その熱伝導率を測定するのは困難でしたが、最終的に実験が機能するようになったときは非常に興奮しました」と論文の筆頭著者でミネソタ大学機械工学科のインイン・チャン氏は語った。工学博士号卒業生。 「このプロジェクトは、材料の熱伝導率を調整する有望な例を提供するだけでなく、困難な測定の実験限界を押し上げるために私たちの研究室で使用している強力なアプローチも実証しています。」

詳しくは： Yingying Zhang 他、室温イオンゲルゲートによる La0.5Sr0.5CoO3-δ フィルムの熱伝導率の広範囲連続調整、Nature Communications (2023)。 DOI: 10.1038/s41467-023-38312-z

雑誌情報:ネイチャーコミュニケーションズ

ミネソタ大学提供