Newswise – تصور کنید دستگاهی دارید که به عنوان یک عایق در هنگام خنک شدن عمل می کند و همچنین می تواند یک هیت سینک عالی در هنگام گرم شدن باشد – یک ماده هوشمند که می داند چگونه رفتار خود را برای تحمل دماهای مختلف تغییر دهد.
محققان آزمایشگاه فیزیک کاربردی جانز هاپکینز (APL) در لورل، مریلند، پیشرفت قابل توجهی در توسعه فناوری‌های مواد پیشرفته داشته‌اند که می‌تواند به طور موثر شرایط حرارتی، به ویژه در ساختمان‌ها و مراکز داده را مدیریت کند، و راه‌حلی امیدوارکننده برای کاهش تاثیر مصرف انرژی در تغییر اقلیم
این تحقیق در “کنتراست گسیلی بالا از کامپوزیت های VO2 قابل تنظیم، لایه نازک و تنگستن دوپ شده” که در 15 اوت در Applied Physics Letters منتشر شد، توضیح داده شده است. این کامپوزیت روی کامپوزیت های آغشته به تنگستن-وانادیم دی اکسید (VO2) با لایه نازک قابل تنظیم تمرکز دارد که کنتراست انتشار بالا و دمای انتقال فلز-عایق قابل تنظیم را نشان می دهد. محقق اصلی پروژه فنی جو میراگلیوتا است که با دفتر انتقال فنی APL برای انتقال فناوری مواد پیشرفته به صنعت کار می کند.
بیش از نیمی از انرژی مصرف شده در صنعت مسکن ایالات متحده برای گرم کردن و خنک کردن خانه ها استفاده می شود. و مراکز داده – ساختمان‌هایی که برای قرار دادن سیستم‌های کامپیوتری حیاتی و اجزای مرتبط مانند مخابرات و سیستم‌های ذخیره‌سازی استفاده می‌شوند – بیش از ۴۰ درصد انرژی خود را برای تنظیم حرارتی الکترونیک خود مصرف می‌کنند.
دیوید شرکن هامر، دستیار مدیر برنامه فیزیک، مواد الکترونیکی و برنامه دستگاه در توضیح می دهد: «راه حل های فعلی مدیریت حرارتی، مانند سقف های تابشی، لایه های بازتابنده پنجره و سیستم های خنک کننده آب گرم، اغلب منجر به مصرف بیش از حد انرژی یا بازدهی محدود می شوند. APL و یکی از نویسندگان مقاله. توسعه سیستم‌های مدیریت حرارتی غیرفعال و تطبیقی با راندمان تشعشعی بالا در دماهای بالاتر و عایق‌بندی مؤثر در دماهای پایین‌تر یک هدف حیاتی برای محققان است.
معرفی کامپوزیت های VO2 آلیاژ شده با تنگستن
VO2 به عنوان یک ماده نامزد برای مدیریت حرارتی تطبیقی به دلیل توانایی منحصر به فرد خود برای تغییر از حالت بازتابی در دمای پایین به حالت انتشاری با دمای بالا در آستانه دمایی خاص (حدود 154 درجه فارنهایت یا 68 درجه سانتیگراد) ظهور کرده است. با این حال، محققان دریافته‌اند که با دوپینگ VO2 با تنگستن با ظرفیت بالا (W6+)، دمای انتقال را می‌توان به دمای نزدیک به اتاق (حدود 71 درجه فارنهایت یا 22 درجه سانتیگراد) کاهش داد و آن را برای انواع حرارتی مناسب می‌سازد. برنامه های کاربردی برای مدیریت
نویسنده اصلی گابریلا هانت و نویسندگان همکارش که شامل همکاران شرکت پلاسمونیکس می‌شوند، نحوه طراحی و نمایش یک فیلم چند لایه را توضیح می‌دهند. آنها از ابزارهای محاسباتی برای بهینه سازی ضخامت لایه و غلظت دوپینگ برای دستیابی به کنتراست انتشار بالا (تفاوت در راندمان تشعشعی بین حالت های دمای پایین و بالا) استفاده کردند و در عین حال دمای انتقال را کاهش دادند.
از طریق یک فرآیند ساخت کنترل‌شده، تیم فیلم‌هایی را با ضخامت لایه‌های سازگار حرارتی و سطوح دوپینگ مختلف رسوب دادند. با تنظیم غلظت مواد ناخالص و ضخامت لایه، تیم توانست به دمای اتصال فلز-عایق قابل تنظیم دست یابد که به مواد اجازه می دهد در انواع کاربردهای مدیریت حرارتی به طور موثر کار کنند.
Schreckenhammer توضیح داد: با این ماده هوشمند، ما می‌توانیم سیستم‌های گرمایش و سرمایش کارآمدتری داشته باشیم. وقتی بیرون سرد است، این ماده به عنوان یک عایق عمل می کند و به حفظ گرما در داخل کمک می کند. اما به محض داغ شدن، این ماده به یک هیت سینک تبدیل می شود و به آن اجازه می دهد گرمای اضافی را از بین ببرد و مواد را خنک نگه دارد.
پتانسیل مدیریت حرارت کارآمد
Schreckenhammer گفت: یافته‌های تحقیق نویدبخش انقلابی در فناوری مدیریت حرارتی است و گامی مهم در تلاش‌های مداوم برای کاهش مصرف انرژی و مبارزه با تغییرات آب و هوایی است.
دکتر هانت گفت: «تحقیقات ما نشان می‌دهد که می‌توانیم از یک ماده دی الکتریک در دستگاه خود استفاده کنیم که به طور معمول باعث اتلاف انرژی می‌شود، بدون اینکه کارایی دستگاه ما کاهش یابد.» دانشجوی برنامه علوم و مهندسی مواد در دانشکده مهندسی جانز هاپکینز وایتینگ. ما همچنین اطلاعاتی در مورد بهترین راه حل های طراحی برای بهینه سازی عملکرد این دستگاه ها در دماهای مختلف ارائه می دهیم. این یافته ها برای تحقق تولید تجاری دستگاه های مبتنی بر VO2 که می توانند در صنایع مختلف برای طیف گسترده ای از کاربردها مورد استفاده قرار گیرند، مهم هستند.
این تیم قصد دارد به کاوش در سایر بهبودهای این فرآیند ادامه دهد. Schreckenhammer گفت: “با ادامه بهبود کنتراست نوری عملیاتی این کامپوزیت های چند لایه، ما امیدواریم که بتوانیم طیف گسترده ای از کاربردهای این فناوری نوآورانه مدیریت حرارتی را بیشتر نشان دهیم.”
توانایی ادغام علم مواد پیشرفته، تولید و اپتیک و توسعه یک پوشش پیشرفته برای مدیریت حرارتی، ادای احترام به مجموعه باورنکردنی آزمایشگاه از دانشمندان و مهندسان است.»
