Исследователи из Инженерной школы Гонконгского университета науки и технологий (HKUST) разработали устойчивую и контролируемую стратегию управления межфазной теплопередачей, открывающую путь к повышению эффективности экологически чистого охлаждения в различных приложениях, таких как электроника, здания и солнечные батареи.
Исследовательская работа группы под названием «Прямое наблюдение настраиваемой теплопроводности на границах твердого и пористого кристаллического твердого тела, индуцированной водными адсорбатами», была недавно опубликована в журнале Nature Communications . В состав группы, возглавляемой профессором Чжоу, входил его доктор философии. студенты Ван Гуан, Фань Хунчжао и Ли Цзяван, а также заместитель заведующего кафедрой машиностроения и аэрокосмической техники HKUST профессор Ли Чжиган.
Поскольку спрос на эффективные решения для охлаждения продолжает расти из-за повышения глобальной температуры, ученые во всем мире активно изучают более эффективные энергосберегающие технологии охлаждения. По сравнению с активным охлаждением, работа которого полностью зависит от энергопотребления , пассивное охлаждение основано на естественных процессах и принципах проектирования, направленных на снижение нагрева и поддержание комфортной температуры с низким потреблением энергии или без него. Поэтому этот подход вызвал широкий интерес среди исследователей из-за его экологичности и отсутствия электричества.
Одной из новых областей исследований является пассивное охлаждение с использованием металлоорганических каркасов (MOF), которые представляют собой пористые материалы, которые могут улавливать водяной пар из воздуха и использоваться для повышения энергоэффективности в системах охлаждения помещений при комнатной температуре.
Однако MOF обычно обладают низкой теплопроводностью , что делает их плохими проводниками тепла. Более того, наличие адсорбированных молекул воды в МОК еще больше снижает их эффективную теплопроводность. Это ограничение оставляет мало возможностей для манипулирования собственными свойствами теплопередачи MOF с целью повышения их эффективности охлаждения.
Чтобы решить эту проблему, исследователи во всем мире обратили свое внимание на межфазное рассеивание тепла между MOF и материалами, с которыми они вступают в контакт. Для повышения межфазной теплопроводности (ITC) использовались различные подходы, включая использование адгезионных слоев, наноструктур, химическую модификацию и самоорганизующиеся монослои. Однако синтез или изготовление буферных слоев с точным атомным контролем является сложной задачей, ограничивающей потенциальные применения этих методов.
В своей новаторской работе исследовательская группа под руководством профессора Чжоу Янгуана из факультета машиностроения и аэрокосмической техники HKUST представила устойчивую и контролируемую стратегию управления межфазным теплообменом между контактирующей подложкой и типичными MOF с помощью процесса адсорбции воды.
Благодаря комплексным измерениям термоотражения в частотной области (FDTR) и моделированию молекулярной динамики (MD) они продемонстрировали значительное улучшение ITC между контактирующей подложкой и MOF. ITC был увеличен с 5,3 МВт/м 2 К до 37,5 МВт/м 2 К, что представляет собой увеличение примерно в 7,1 раза. Эффективные улучшения наблюдаются и в других системах Au/MOF.
Исследовательская группа объясняет это улучшение образованием плотных водных каналов, чему способствуют адсорбированные молекулы воды внутри MOF. Эти каналы служат дополнительными тепловыми путями, значительно улучшая передачу тепловой энергии через интерфейсы.
Дальнейший анализ с использованием метода прямого разложения в частотной области, разработанного командой, показал, что адсорбированная вода не только активирует высокочастотные колебания, но также увеличивает перекрытие колебательной плотности состояний между подложкой и MOF, что усиливает рассеивание тепловой энергии из субстрат к MOF, подчеркивая мостиковый эффект адсорбированных молекул воды.
«Это инновационное исследование не только дает новое представление о переносе тепла между MOF и другими материалами, но также дает большие надежды на повышение производительности систем охлаждения с использованием MOF. Используя процесс адсорбции воды, наша команда добилась прорыва в управлении межфазным теплом. передачи, открывая путь к более эффективным технологиям охлаждения», — сказал профессор Чжоу.
