Você pode sentir isso em seu laptop e telefone celular. Está atrás de sua geladeira e copiadora do escritório. Embora o calor seja desejável para aparelhos como uma cafeteira, pode comprometer a confiabilidade e segurança dos sistemas eletrônicos em outros dispositivos, causando falha prematura na melhor das hipóteses e explosões na pior.

Controle ativo do transporte de calor, como com interruptores térmicos e diodos térmicos, é importante para uma variedade de aplicações em aquecimento e resfriamento, conversão de energia, processamento de materiais, e armazenamento de dados. Na prática, diodos térmicos são componentes térmicos altamente desejáveis ​​para muitas aplicações de engenharia porque permitem que os sistemas de energia transfiram calor para áreas designadas enquanto também os protegem quando as temperaturas circundantes são muito altas.

Sheng Shen, professor de engenharia mecânica na Carnegie Mellon University, explora fenômenos de transporte térmico exóticos como retificação térmica em seu laboratório. Recentemente, ele liderou uma equipe de pesquisa que desenvolveu um diodo térmico incomum feito de nanofibra de polietileno (PE) que retifica o calor em ambas as direções, alterando a temperatura de trabalho. Isso é significativo porque até agora, alcançar um efeito de retificação grande e adaptável exigia um tamanho de macroescala ou um grande enviesamento de temperatura. Os resultados foram publicados em Nature Communications.

O diodo térmico em nanoescala desenvolvido neste trabalho permite um efeito recorde de retificação térmica alto além de quaisquer valores experimentais relatados para retificação térmica de estado sólido, e requer apenas um pequeno desvio de temperatura de menos de 10 Kelvin.

Para fabricar este diodo térmico de estado sólido de modo duplo, Xiao Luo, Ph.D. estudante e co-autor do artigo, afinou a nanofibra de PE cristalina com irradiação de feixe de elétrons. Em seu estado original, A nanofibra de PE em baixa temperatura tem alta condutividade térmica, mas sua condutividade diminui significativamente depois de passar por uma transição de fase induzida pela temperatura em torno de 450 graus Kelvin.

Luo irradiou uma parte da nanofibra PE, reduzindo a condutividade térmica e deslocando a temperatura de transição de fase para baixo. A parte restante da nanofibra PE - a parte "intocada" - foi deixada como no estado original, criando uma junção irradiada primitiva.

"Como resultado, temos uma hetero-junção, com as duas partes da junção tendo propriedades diferentes, "disse Luo. Como as partes primitivas e irradiadas passam por suas respectivas transições de fase em diferentes temperaturas, o calor pode ser retificado em ambas as direções, dependendo da temperatura específica. A retificação térmica de modo duplo pode potencialmente ser usada para regular o fluxo de calor ativamente para gerenciamento térmico avançado e conversão de energia - uma verdadeira virada de jogo para uma variedade de aplicações industriais e médicas.

"Como elementos de controle térmico avançados, diodos térmicos podem ser usados ​​para proteger dispositivos eletrônicos ou biomédicos sensíveis à temperatura de flutuações de temperatura ambiente, "disse Shen." Por exemplo, os diodos térmicos de nanofibras desenvolvidos neste trabalho são totalmente biocompatíveis e flexíveis. Eles podem ser usados ​​para proteger amostras biológicas ou dispositivos biomédicos de picos de calor locais e permitir a estabilização de temperatura de precisão com base no efeito de retificação térmica de modo duplo. "

Intitulado "Retificação térmica de estado sólido de modo duplo, "o artigo foi um esforço colaborativo entre pesquisadores da Carnegie Mellon University, Universidade da Califórnia em San Diego, Universidade de Notre Dame, e o Instituto de Pesquisa e Engenharia de Materiais. Além de Shen e Luo, Michael Bockstaller, professor de ciência e engenharia de materiais, é co-autor.