211service.com
Un plastique qui fait froid dans le dos
Des films minces d'un nouveau polymère développé à Penn State changent de température en réponse à des champs électriques changeants. Les chercheurs de Penn State, qui ont signalé le nouveau matériel dans La science la semaine dernière, dire que cela pourrait conduire à de nouvelles technologies pour le refroidissement des puces informatiques et à des réfrigérateurs respectueux de l'environnement.
Bobine froide : Les films d'un polymère spécialement conçu, d'une épaisseur de seulement 0,4 à 2,0 micromètres, peuvent devenir plus froids ou plus chauds de 12 °C lorsqu'un champ électrique est supprimé ou appliqué à travers eux.
Changer le champ électrique réarrange les atomes du polymère, changeant sa température; c'est ce qu'on appelle l'effet électrocalorique. Dans un dispositif de refroidissement, une tension serait appliquée au matériau, qui serait ensuite mis en contact avec tout ce qu'il est destiné à refroidir. Le matériau se réchaufferait, transmettant son énergie à un dissipateur thermique ou la libérant dans l'atmosphère. Réduire le champ électrique ramènerait le polymère à basse température pour qu'il puisse être réutilisé.
Dans un article de 2006 en La science , chercheurs de l'Université de Cambridge dirigés par un scientifique des matériaux Neil Mathur ont décrit des matériaux céramiques qui présentaient également l'effet électrocalorique, mais seulement à des températures d'environ 220 °C. La température de fonctionnement d'une puce informatique est considérablement plus basse – généralement autour de 85 °C – et un réfrigérateur de cuisine devrait encore fonctionner à des températures plus basses. Le polymère de Penn State présente la même oscillation de 12 degrés que la céramique, mais il fonctionne à une température relativement basse de 55 °C.
Le polymère absorbe également mieux la chaleur. Dans un appareil de refroidissement, outre le changement de température, vous devez également connaître la quantité de chaleur qu'il peut absorber des endroits que vous devez refroidir, dit Qiming Zhang , professeur de génie électrique à Penn State, qui a dirigé les nouveaux travaux. Le polymère, dit Zhang, peut absorber sept fois plus de chaleur que la céramique.
Zhang attribue ces qualités à l'arrangement plus flexible des atomes dans les polymères. Dans une céramique, les atomes sont plus rigides, il est donc plus difficile de les déplacer, dit-il. Les atomes peuvent être déplacés beaucoup plus facilement dans les polymères à l'aide d'un champ électrique, de sorte que l'effet électrocalorique du polymère est bien meilleur que celui de la céramique.
Les propriétés du matériau en font un candidat attrayant pour les applications de refroidissement des ordinateurs portables, explique Rajiv Mongia, ingénieur Intel, qui étudie les technologies de réfrigération. Les fabricants d'ordinateurs recherchent des alternatives moins encombrantes aux dissipateurs thermiques et aux ventilateurs bruyants actuellement utilisés dans les ordinateurs portables et les ordinateurs de bureau. La technologie idéale serait suffisamment petite pour être intégrée dans une puce informatique.
Jusqu'à présent, dit Mongia, explorer l'effet électrocalorique pour le refroidissement des puces n'avait pas de sens. Les premiers matériaux céramiques n'ont pas présenté de changements de température suffisamment importants - le refroidissement des puces nécessite des réductions d'au moins 10 °C - et les céramiques les plus récentes ne fonctionnent pas à des températures suffisamment basses. Ils contiennent également du plomb, une matière dangereuse dont il est difficile de se débarrasser en toute sécurité. Les polymères ne présentent pas ces inconvénients. Le fait qu'ils aient été en mesure de développer un matériau de type polymère pouvant être utilisé dans un film relativement mince mérite un second regard, dit Mongia. De plus, il fonctionne dans une plage de température qui nous intéresse.
Mais les dispositifs de refroidissement des puces mettront un certain temps à arriver. Il faut maintenant 120 volts pour que le polymère change sa disposition atomique, et ce chiffre devrait être beaucoup plus bas si le matériau doit être utilisé dans les ordinateurs portables. Idéalement, vous voulez qu'il fonctionne à des tensions communes dans le domaine d'un ordinateur portable, dans les dizaines de volts ou moins, dit Mongia. Les chercheurs devront également concevoir un dispositif fonctionnel contenant les couches minces.
Les matériaux électrocaloriques pourraient rendre les réfrigérateurs plus verts. Les réfrigérateurs ménagers actuels utilisent un cycle de compression de vapeur, dans lequel un réfrigérant est converti dans les deux sens entre le liquide et la vapeur pour absorber la chaleur du compartiment isolé. La nécessité d'une compression mécanique réduit l'efficacité du réfrigérateur. Les réfrigérateurs refroidis à la vapeur sont efficaces de 30 à 40 pour cent, dit Mathur. Mais parce que les matériaux électrocaloriques n'ont pas de pièces mobiles, ils pourraient conduire à des dispositifs de refroidissement plus économes en énergie que les réfrigérateurs actuels. De plus, les réfrigérants hydrofluorocarbures actuels contribuent au réchauffement climatique.
Les réfrigérateurs qui utilisent des matériaux électrocaloriques auraient un avantage sur les systèmes de refroidissement magnétiques que certaines entreprises et groupes de recherche développent. Les champs électriques suffisamment grands pour produire des changements de température substantiels dans les matériaux électrocaloriques sont beaucoup plus faciles et moins chers à produire que les champs magnétiques utilisés dans les systèmes de réfrigération expérimentaux, qui nécessitent de gros aimants supraconducteurs ou des aimants permanents coûteux. Cependant, les réfrigérateurs ont besoin de plages de température de 40 °C, ce qui est actuellement un défi de taille pour les matériaux électrocaloriques, explique Mathur. Le principal point de blocage en termes de technologie est que nous avons des films minces, et vous ne pouvez pas beaucoup refroidir avec un film mince.
Zhang et ses collègues essaient maintenant de concevoir de meilleurs polymères électrocaloriques. Ils prévoient d'étudier les polymères fabriqués à partir de cristaux liquides, qui sont utilisés dans les écrans plats. Les cristaux liquides contiennent des molécules en forme de bâtonnets qui s'aligneront avec un champ électrique et reviendront à leur disposition d'origine lorsque le champ sera supprimé. Zhang dit que cette propriété pourrait être exploitée pour fabriquer des matériaux qui absorbent et libèrent de grandes quantités de chaleur en réponse aux champs électriques.