香港科技大学 (HKUST) 工学部の研究者らは、界面熱伝達を操作するための持続可能で制御可能な戦略を開発し、エレクトロニクス、建物や太陽光パネル。

同チームの研究成果は、「水吸着物によって誘起された固体/多孔質結晶質固体界面における調整可能な熱コンダクタンスの直接観察」と題され、最近発表された。出版されたでネイチャーコミュニケーションズ。周教授が率いるチームには、博士号を取得した周教授も含まれていました。学生のWang Guang氏、Fan Hongzhao氏、Li Jiawang氏、そしてHKUST機械航空宇宙工学部副部長のLi Zhigang教授も参加しました。

効果的な需要としては冷却地球の気温上昇によりソリューションは成長を続けており、世界中の科学者がより効果的な省エネ冷却技術を積極的に研究しています。完全に依存するアクティブ冷却と比較して、エネルギー消費パッシブ冷却は、自然のプロセスと設計原則に基づいて動作し、エネルギー消費をほとんどまたはまったく消費せずに熱を低減し、快適な温度を維持します。したがって、このアプローチは、その環境に優しい性質とゼロ電力の特性により、研究者の間で幅広い関心を集めています。

新しい研究分野の 1 つは、有機金属フレームワーク(MOF) は、水蒸気空気からのエネルギー効率を高め、室温の空間冷却用途でエネルギー効率を高めるために使用されます。

ただし、MOF は通常、熱伝導率が低い熱伝導性が悪くなります。さらに、MOF 内に吸着された水分子の存在により、MOF の実効熱伝導率がさらに低下します。この制限により、MOF の冷却性能を向上させるために MOF の固有の熱輸送特性を操作する余地はほとんどありません。

この問題に対処するために、世界中の研究者は、MOF とそれらが接触する材料の間の界面熱放散に注目しています。界面熱コンダクタンス (ITC) を向上させるために、接着層、ナノ構造、化学修飾、自己組織化単層の使用など、さまざまなアプローチが採用されています。ただし、正確な原子制御でバッファ層を合成または製造することは困難な作業であり、これらの方法の潜在的な用途が制限されます。

HKUST機械航空宇宙工学部のZhou Yanguang教授が率いる研究チームは、先駆的な研究において、水分吸着プロセスを利用して、接触した基板と典型的なMOFの間の界面熱伝達を操作する持続可能で制御可能な戦略を導入した。

包括的な周波数領域熱反射率 (FDTR) 測定を通じて、分子動力学(MD) シミュレーションでは、接触した基板と MOF の間の ITC が顕著に改善されることが実証されました。ITC は 5.3 MW/m から増加しました²K～37.5MW/m²K、約7.1倍の増強を表します。効果的な強化は他の Au/MOF システムでも観察されます。

研究チームは、この改善はMOF内の吸着された水分子によって促進される高密度の水チャネルの形成によるものであると考えています。これらのチャネルは追加の熱経路として機能し、界面間の熱エネルギー伝達を大幅に強化します。

同チームが開発した周波数領域直接分解法を用いたさらなる分析により、吸着された水が高周波振動を活性化するだけでなく、基板とMOFの間の振動状態密度の重なりが増加し、基板からの熱エネルギー放散が強化されることが判明した。基板から MOF への結合。吸着された水分子のブリッジ効果が強調されます。

「この革新的な研究は、MOF やその他の材料間の熱輸送に関する新たな洞察を提供するだけでなく、MOF が関与する冷却アプリケーションの性能向上に大きな期待をもたらします。水の吸着プロセスを活用することで、私たちのチームは界面熱の操作において画期的な進歩を達成しました。」これにより、より効率的な冷却技術への道が開かれます」と周教授は語った。