Control del flujo de calor en un sólido cambiando la dimensionalidad de la estructura cristalina

Control del flujo de calor en un sólido cambiando la dimensionalidad de la estructura cristalina


09 de mayo de 2022

(Noticias de Nanowerk) Así como un interruptor eléctrico regula el flujo de electricidad, los interruptores térmicos pueden controlar el flujo de calor. Estos interruptores sirven como dispositivos de control térmico y son útiles para aplicaciones de gestión térmica. Por ejemplo, se pueden utilizar en la industria para reducir el calor residual, lo que se traduce en ahorros de costos y energía.

Estos interruptores requieren materiales cuya conductividad térmica (κ) pueda modularse en gran medida. Esto permitiría que el interruptor tuviera un estado «encendido» y «apagado» dependiendo de la conductividad térmica. Sin embargo, tales materiales son raros y difíciles de desarrollar, y los desarrollados hasta ahora muestran solo pequeñas variaciones reversibles en su κ. Control del flujo de calor en un sólido cambiando la dimensionalidad de la estructura cristalina Control del flujo de calor en un sólido cambiando la dimensionalidad de la estructura cristalina. (Imagen: Tecnología de Tokio)

Pues bien, en un estudio publicado en Materiales electrónicos avanzados («Conmutación de conductividad térmica electrónica y de celosía por transición de estructura cristalina de no equilibrio 3D-2D (Pb1−xsnX)Se»), los investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) y el Instituto Nacional de Ciencia de los Materiales de Japón han llevado las cosas al siguiente nivel con un material que puede lograr una amplia variación en su κ cambiando la dimensionalidad de su estructura cristalina. cambios.

El equipo logró esta notable hazaña mediante el uso de una solución sólida de seleniuro de plomo (PbSe) y seleniuro de estaño (SnSe) que puede cambiar entre una estructura cristalina cúbica tridimensional (3D) y una estructura cristalina en capas bidimensional (2D) con cambios en temperatura.

En los sólidos, el calor se transporta mediante dos procesos distintos, a saber, las vibraciones de la red cristalina y el flujo de portadores de carga eléctrica. Por lo tanto, la conductividad térmica de un sólido depende tanto de la estructura cristalina como de la estructura electrónica.

En su estudio, los investigadores pudieron determinar diferentes valores de κ en un (Pb0.5>/Sn0.5)Se alea cambiando la dimensionalidad de la estructura cristalina debido a las diferentes disposiciones de los átomos y las bandas prohibidas en cada estructura cristalina con respecto a la otra.

“El material que elegimos para nuestro estudio son policristales a granel de (Pb0.5>/Sn0.5)Se muestra un límite de fase directo entre las estructuras cristalinas 3D y 2D. Logramos esto mediante el enfriamiento térmico de la fase de solución sólida de alta temperatura a temperatura ambiente”, explica el profesor Takayoshi Katase de Tokyo Tech, quien participó en el estudio.

Los investigadores pudieron cambiar reversiblemente entre las dimensionalidades de la estructura cristalina 3D y 2D del (Pb0.5>/Sn0.5)Se policristales simplemente calentando y enfriando el material. Cuando se calentó, el material adoptó una estructura cristalina 3D con una estructura electrónica metálica, lo que resultó en una alta conductividad térmica electrónica y reticular.

Sin embargo, al enfriarse, cambió a una estructura de cristal 2D con una estructura electrónica semiconductora y un κ muy reducido. A una temperatura de 373 K (100 °C), κ fue 3,6 veces mayor para la fase 3D que para la fase 2D.

Este nuevo enfoque para cambiar κ podría allanar el camino para el desarrollo de más materiales de este tipo con aplicaciones potenciales en la gestión térmica. «Creemos que la estrategia actual conducirá a un concepto novedoso para el diseño de materiales de conmutación térmica al cambiar la dimensionalidad de la estructura cristalina a través de los límites de fase que no están en equilibrio», dice el profesor Katase.



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