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Una plastica che fa freddo
I film sottili di un nuovo polimero sviluppato a Penn State cambiano la temperatura in risposta al cambiamento dei campi elettrici. I ricercatori della Penn State, che hanno riportato il nuovo materiale in Scienza la scorsa settimana, dicono che potrebbe portare a nuove tecnologie per raffreddare i chip dei computer ea frigoriferi ecologici.
Bobina fredda: I film di un polimero appositamente progettato, spessi solo da 0,4 a 2,0 micrometri, possono diventare più freddi o più caldi di 12 °C quando un campo elettrico viene rimosso o applicato su di essi.
Cambiando il campo elettrico si riorganizzano gli atomi del polimero, cambiandone la temperatura; questo è chiamato effetto elettrocalorico. In un dispositivo di raffreddamento, viene applicata una tensione al materiale, che viene quindi portato a contatto con qualsiasi cosa sia destinata a raffreddare. Il materiale si riscalderebbe, passando la sua energia a un dissipatore di calore o rilasciandola nell'atmosfera. La riduzione del campo elettrico riporterebbe il polimero a bassa temperatura in modo da poter essere riutilizzato.
In un articolo del 2006 in Scienza , ricercatori dell'Università di Cambridge guidati dallo scienziato dei materiali Neil Mathur descritto materiali ceramici che esibivano anche l'effetto elettrocalorico, ma solo a temperature di circa 220 °C. La temperatura operativa di un chip per computer è significativamente più bassa, di solito intorno agli 85 °C, e un frigorifero da cucina dovrebbe funzionare a temperature ancora più basse. Il polimero Penn State mostra la stessa oscillazione di 12 gradi della ceramica, ma funziona a una temperatura relativamente bassa di 55 °C.
Il polimero assorbe anche meglio il calore. In un dispositivo di raffreddamento, oltre al cambiamento di temperatura, devi anche sapere quanto calore può assorbire dai luoghi in cui devi raffreddare, dice Qiming Zhang , un professore di ingegneria elettrica alla Penn State, che ha guidato il nuovo lavoro. Il polimero, dice Zhang, può assorbire sette volte più calore della ceramica.
Zhang attribuisce queste qualità alla disposizione più flessibile degli atomi nei polimeri. In una ceramica, gli atomi sono più rigidi, quindi è più difficile spostarli, dice. Gli atomi possono essere spostati nei polimeri molto più facilmente usando un campo elettrico, quindi l'effetto elettrocalorico nel polimero è molto migliore della ceramica.
Le proprietà del materiale lo rendono un candidato interessante per le applicazioni di raffreddamento dei laptop, afferma l'ingegnere Intel Rajiv Mongia, che studia le tecnologie di refrigerazione. I produttori di computer sono alla ricerca di alternative meno ingombranti ai dissipatori di calore e alle ventole rumorose attualmente utilizzate nei laptop e nei computer desktop. La tecnologia ideale sarebbe abbastanza piccola da essere integrata in un chip per computer.
Finora, dice Mongia, esplorare l'effetto elettrocalorico per il raffreddamento del chip non aveva senso. I primi materiali ceramici non mostravano variazioni di temperatura abbastanza grandi - il raffreddamento del chip richiede riduzioni di almeno 10 ° C - e le ceramiche più recenti non funzionano a temperature abbastanza basse. Contengono anche piombo, un materiale pericoloso difficile da smaltire in sicurezza. I polimeri non hanno questi inconvenienti. Il fatto che siano stati in grado di sviluppare un materiale di tipo polimerico che può essere utilizzato in un film relativamente sottile merita una seconda occhiata, afferma Mongia. Inoltre, funziona in un intervallo di temperatura che ci interessa.
Ma i dispositivi di raffreddamento del chip impiegheranno un po' di tempo ad arrivare. Ora ci vogliono 120 volt per far sì che il polimero cambi la sua disposizione atomica e quella cifra dovrebbe essere molto più bassa se il materiale deve essere utilizzato nei laptop. Idealmente, vuoi che funzioni a tensioni comuni all'interno del regno di un notebook, nell'ordine delle decine di volt o meno, dice Mongia. I ricercatori dovranno anche progettare un dispositivo funzionante contenente i film sottili.
I materiali elettrocalorici potrebbero rendere i frigoriferi più ecologici. Gli attuali frigoriferi domestici utilizzano un ciclo di compressione del vapore, in cui un refrigerante viene convertito avanti e indietro tra liquido e vapore per assorbire il calore dal vano isolato. La necessità di compressione meccanica riduce l'efficienza del frigorifero. I frigoriferi raffreddati a vapore sono efficienti dal 30 al 40%, afferma Mathur. Ma poiché i materiali elettrocalorici non hanno parti mobili, potrebbero portare a dispositivi di raffreddamento più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai frigoriferi attuali. Inoltre, gli attuali refrigeranti a base di idrofluorocarburi contribuiscono al riscaldamento globale.
I frigoriferi che utilizzano materiali elettrocalorici avrebbero un vantaggio rispetto ai sistemi di raffreddamento magnetici che alcune aziende e gruppi di ricerca stanno sviluppando. I campi elettrici sufficientemente grandi da produrre sostanziali variazioni di temperatura nei materiali elettrocalorici sono molto più facili ed economici da produrre rispetto ai campi magnetici utilizzati nei sistemi di refrigerazione sperimentali, che richiedono grandi magneti superconduttori o costosi magneti permanenti. Tuttavia, i frigoriferi necessitano di intervalli di temperatura di 40 °C, il che è un compito arduo per i materiali elettrocalorici in questo momento, afferma Mathur. Il principale punto critico in termini di tecnologia è che abbiamo film sottili e non puoi raffreddare molto con un film sottile.
Zhang e i suoi colleghi stanno ora cercando di progettare polimeri elettrocalorici migliori. Hanno in programma di studiare polimeri a base di cristalli liquidi, che vengono utilizzati nei display a schermo piatto. I cristalli liquidi contengono molecole a forma di bastoncino che si allineeranno con un campo elettrico e torneranno alla loro disposizione originale quando il campo viene rimosso. Zhang afferma che questa proprietà potrebbe essere sfruttata per realizzare materiali che assorbono e rilasciano grandi quantità di calore in risposta ai campi elettrici.