«Большинство электрокалорийных керамических материалов содержат свинец, — сказал Цин Ван, профессор материаловедения и инженерии. «Мы стараемся не использовать свинец. В обычных системах охлаждения используются охлаждающие жидкости, которые также могут быть проблематичными с экологической точки зрения. Наш массив нанопроволок может охлаждать без этих проблем».
Электрокалорические материалы — это наноструктурированные материалы, которые показывают обратимое изменение температуры под действием приложенного электрического поля. Ранее доступные электрокалорические материалы представляли собой монокристаллы, объемную керамику или керамические тонкие пленки, которые могли охлаждаться, но ограничены, поскольку они жесткие, хрупкие и плохо обрабатываются. Сегнетоэлектрические полимеры также могут охлаждаться, но электрическое поле, необходимое для охлаждения, превышает безопасный предел для человека.
Ван и его команда изучали возможность создания гибкого, легко производимого и экологически чистого материала на основе нанопроволоки, который мог бы охлаждаться электрическим полем, безопасным для использования человеком. Такой материал однажды может быть использован в пожарной экипировке, спортивной форме или других носимых предметах. Они сообщают о своих результатах в недавнем выпуске Advanced Materials.Их вертикально выровненный массив ферроэлектрических нанопроволок из сегнетоэлектрического титаната бария-стронция может охлаждать около 5,5 градусов по Фаренгейту с использованием 36 вольт, что является безопасным для человека уровнем электрического поля.
Аккумулятор на 500 грамм размером с iPad может проработать материал около двух часов.Исследователи выращивают материал в два этапа. Во-первых, нанопроволоки из диоксида титана выращивают на стекле с покрытием из оксида олова, легированного фтором. Исследователи используют шаблон, поэтому все нанопроволоки растут перпендикулярно поверхности стекла и достигают одинаковой высоты.
Затем исследователи вводят ионы бария и стронция в нанопроволоки диоксида титана.Исследователи применяют нанолист серебра к массиву, который служит электродом.Они могут переместить этот лес нанопроволок со стеклянной подложки на любую подложку, которую захотят, включая ткань для одежды, с помощью липкой ленты.«Это низкое напряжение достаточно для скромных упражнений, а материал гибкий, — сказал Ван. «Теперь нам нужно разработать систему, которая может охлаждать человека и отводить тепло, выделяемое при охлаждении, из непосредственной близости».
Эта твердотельная система индивидуального охлаждения может однажды стать нормой, поскольку она не требует регенерации охлаждающих жидкостей с разрушающим озоновый слой и потенциалом глобального потепления и может быть легкой и гибкой.Также над этим проектом работали Гуанзу Чжан, Хубин Хуанг и Ци Ли, научные сотрудники в области материаловедения и инженерии; Сяошань Чжан и Цзяньцзюнь Ван, аспиранты в области материаловедения и инженерии, и Лун-Цин Чен, выдающийся профессор материаловедения и инженерии, — все в Penn State.
Национальный научный фонд поддержал эту работу.