蘇州納米所張學同團隊《Advanced,Functional,Materials》,氣凝膠限域相變流體實現柔性熱二極體製備

相變資料相轉變過程通常涉及熱導率突變,利用相變資料構築熱二極體可獲得良好熱整流效能。針對上述難題,中國科學院蘇州奈米科技與納米仿生研究所氣凝膠團隊,提出了氣凝膠薄膜限域相變流體構築柔性熱二極體策略(圖1)。此工作首次實現了柔性熱二極體製備,將加速熱二極體從理論研究到實際應用的行程。

利用熱整流器件對熱量進行控制,使其按需、有序傳輸,對提高能源利用率、實現高精度溫度控制具有重要意義。熱二極體即是給定溫差條件下正方向熱流大於反方向熱流的整流器件。熱二極體可通過非對稱納米結構實現,或通過“Junction”結構構築而成,前者需要精細納米結構,通常涉及複雜合成/製備過程,且整流效能有限;後者需要兩種熱導率隨溫度變化趨勢不同資料構建異質結。相變資料相轉變過程通常涉及熱導率突變,利用相變資料構築熱二極體可獲得良好熱整流效能。然而,已報導相變熱二極體均為剛性,不適用於曲面,即使為適應曲面而預製,也會在使用過程中因溫度變化引起的膨脹/收縮與曲面之間產生間隙而失效。

針對上述難題,中國科學院蘇州奈米科技與納米仿生研究所氣凝膠團隊,提出了氣凝膠薄膜限域相變流體構築柔性熱二極體策略(圖1)。首先製備芳綸(即Kevlar)納米纖維氣凝膠薄膜(OANF),為了進一步提升其力學强度和柔性,緻密化處理得到DANF;其次,篩選出相變溫度接近、熱導率隨溫度變化趨勢相反、表面潤濕效能相反的兩種相變流體聚(N-异丙基丙烯醯胺)(PNIPAM)溶液和二十烷(C20);隨後利用氣凝膠薄膜强毛細作用力、高孔隙率等特性分別負載這兩種相變流體,製備出兩種氣凝膠限域相變流體OANF-PNIPAM和DANF-C20膜;最後,優化這兩種氣凝膠限域相變流體厚度並通過彼此接觸構築出熱二極體。此熱二極體具有良好柔性(曲率半徑為420μm)和力學强度(抗拉强度≥7.2MPa),同時,展現出優异的熱整流效能,熱整流比可達2.0。此工作首次實現了柔性熱二極體製備,將加速熱二極體從理論研究到實際應用的行程。

圖1氣凝膠限域相變流體構築柔性熱二極體示意圖

熱導率隨溫度升高而升高(正溫度係數)資料種類稀少,PNIPAM水溶液作為一種臨界溶液溫度(LCST,32°C)型相變流體可在溫度升高時通過凝膠縮聚提升熱導率,囙此本研究利用OANF限域PNIPAM水溶液獲得正溫度係數氣凝膠限域相變流體OANF-PNIPAM。得益於OANF自身柔韌性以及PNIPAM流體特性,OANF-PNIPAM薄膜在環境溫度低於或高於LCST時始終保持良好柔韌性,可反復捲曲、扭轉、打結,甚至折疊(圖2a-b)。從OANF、OANF-PNIPAM的掃描電鏡照片可分析出,當溫度超過LCST,PNIPAM分子由於發生相分離而包覆於芳綸納米纖維上,提高了OANF-PNIPAM薄膜的機械效能(圖2c-e)。此外,OANF-PNIPAM薄膜表現出親水特性(圖2f)。

圖2正溫度係數氣凝膠限域相變流體OANF-PNIPAM結構與效能表徵

為了與OANF-PNIPAM相互匹配構建“Junction”結構,篩選出與PNIPAM相變溫度接近、親疏水性相反、熱導率隨溫度變化趨勢相反(即負溫度係數)的C20作為相變流體,為了進一步提升薄膜柔韌性,選擇DANF限域C20,最終獲得C20熔融前後均具有良好柔韌性的DANF-C20薄膜(圖3a)。DANF氣凝膠薄膜與DANF-C20薄膜的微觀形貌揭示了其具有優异柔韌效能的原因,即緻密化消除了大孔(>50nm),初始3D多孔網絡被壓縮成分層結構,每一層均由芳綸納米纖維密集編織而成(圖3b-d),使得DANF-C20抗拉强度較OANF-C20提高了3倍,也高於其他氣凝膠相變資料。C20的疏水性也賦予了DANF-C20膜(圖3g),使其與親水的OANF-PNIPAM可直接接觸形成穩定介面,避免因相互滲透,影響器件穩定性。

圖3負溫度係數氣凝膠限域相變流體DANF-C20結構與效能表徵

熱導率隨溫度變化是熱二極體整流效能關鍵參數。圖4a顯示了OANF-PNIPAM薄膜熱導率、熱擴散速率隨溫度變化趨勢,15°C(低於相變溫度)時,熱導率為0.66W/m·K,45°C(高於相變溫度)時,新增到1.11W/m·K。當溫度低於相變溫度,OANF-PNIPAM導熱歸因於氣凝膠骨架中聲子輸運和PNIPAM溶液中分子相互作用,當溫度高於相變溫度時,PNIPAM包覆於氣凝膠骨架上,聲子傳輸增强,因聲子比分子傳熱更有效,故OANF-PNIPAM熱導率提高(圖4b)。DANF-C20薄膜熱導率、熱擴散速率隨溫度變化如圖4c所示。當溫度低於C20相變溫度時(C20處於結晶態),DANF-C20熱導率約為0.22W/m·K,而當溫度高於C20相變溫度時(C20處於熔融態),DANF-C20的熱導率降低至0.10W/m·K,這是因為C20處於結晶態時,DANF-C20導熱全部歸因於聲子傳輸,而當C20處於熔融態時,導熱由聲子傳輸變為低效的分子相互作用,故DANF-C20熱導率降低(圖4d)。

圖4氣凝膠限域相變流體熱物性與導熱機理

根據理論推導,相變熱二極體在最優情况下熱整流比與熱導率相變前後比值相關,計算出熱整流比約為2.0。同時,實驗室搭建了熱整流性能測試裝置,如圖5a所示,冷端和熱端分別由迴圈水冷裝置和Bi2Te3熱電陶瓷片精確控制溫度。正向熱流和反向熱流均隨兩端溫差新增而新增,但正向熱流新增幅度更高,當兩端溫差新增到40°C時,熱整流比達到最大值2.0(圖5b-c)。熱二極體的可靠性在實際應用中至關重要,為了表徵可靠性,測試了此熱二極體熱整流迴圈穩定性,迴圈50次,熱整流比在1.94和2.03之間波動,穩定性良好(圖5d),這要歸功於OANF及DANF氣凝膠薄膜優异的納米限域功能、OANF-PNIPAM及DANF-C20薄膜間親水-疏水介面穩定性等。進一步,通過構建簡單模型證實此柔性熱二極體在實際熱管理應用中可行性(圖5e-f)。此工作關於柔性熱二極體構築策略將極大地推動熱二極體的技術進步。

圖5氣凝膠限域相變流體熱二極體熱整流效能與應用

相關工作以“Nanoporous Kevlar aerogel confined phase change fluids enable super-flexible thermal diodes”為題發表於《Advanced FunctionalMaterials》上。中科院蘇州納米所呂婧副研究員為論文第一作者,張學同研究員為論文通訊作者。該論文工作獲得了國家自然科學基金、英國皇家學會-牛頓高級學者基金等資助。

論文連結

本文標題: 蘇州納米所張學同團隊《Advanced,Functional,Materials》,氣凝膠限域相變流體實現柔性熱二極體製備
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656032817202673
相关資料
上海光機所在脈衝壓縮光栅雷射損傷研究取得進展
近期,中國科學院上海光學精密機械研究所薄膜光學實驗室系統研究了影響大口徑脈衝壓縮光栅在應用中面臨的小概率缺陷損傷問題,分清了誘導脈衝壓縮光栅納秒雷射損傷的關鍵瓶頸因素及機理。這項研究闡明了影響脈衝壓縮光栅納秒雷射損傷的基本機制,為脈衝壓縮光
標籤: 光栅 科學 科普
北大醫學部李學松團隊開展的機器人腹腔鏡舌粘膜補片輸尿管成形術取得重要進展
本研究論文充分展現了北京大學第一醫院泌尿上尿路修復團隊近幾年開展的舌黏膜補片輸尿管成形術的技術創新和經驗積累,為全世界上尿路修復醫生提供重要借鑒,有望造福更多的輸尿管狹窄患者。
標籤: 輸尿管 腹腔鏡 泌尿外科 李學松 北大醫學部
武大宋保亮課題組揭示SMO蛋白膽固醇化修飾的生化反應機制
近日,中國科學院院士、武漢大學生命科學學院教授宋保亮,武漢大學生命科學學院副教授趙曉璐和華東師範大學化學與分子工程學院教授仇文衛課題組合作在CellResearch發表論文,闡明了SMO蛋白的膽固醇修飾是一個由鈣離子加速的自發反應,揭示了鈣
標籤: 膽固醇 宋保亮 科普
北京基因組所(國家生物資訊中心)合作發現促進多種組織再生的小分子代謝物
再生是機體修復受損、病變或衰老組織的重要過程,機體再生能力隨進化和衰老而逐步喪失,但其中的分子機制尚不明確。內源性小分子代謝物在不同物種間相對保守,但人們對能够調節衰老和再生的小分子代謝物還知之甚少。該研究由中科院動物研究所、首都醫科大學宣
標籤: 基因組 科學 科普 幹細胞