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Un plástico que enfría
Las películas delgadas de un nuevo polímero desarrollado en Penn State cambian de temperatura en respuesta a los campos eléctricos cambiantes. Los investigadores de Penn State, que informaron sobre el nuevo material en Ciencias la semana pasada, dicen que podría conducir a nuevas tecnologías para enfriar chips de computadora y refrigeradores amigables con el medio ambiente.
Carrete frío: Las películas de un polímero especialmente diseñado, de solo 0,4 a 2,0 micrómetros de espesor, pueden enfriarse o calentarse 12 ° C cuando se elimina o aplica un campo eléctrico a través de ellas.
Cambiar el campo eléctrico reordena los átomos del polímero, cambiando su temperatura; esto se llama efecto electrocalórico. En un dispositivo de enfriamiento, se aplicaría un voltaje al material, que luego se pondría en contacto con lo que sea que se pretenda enfriar. El material se calentaría, pasando su energía a un disipador de calor o liberándola a la atmósfera. La reducción del campo eléctrico devolvería el polímero a una temperatura baja para que pudiera reutilizarse.
En un artículo de 2006 en Ciencias , Investigadores de la Universidad de Cambridge dirigidos por un científico de materiales Neil Mathur describieron materiales cerámicos que también exhibían el efecto electrocalórico, pero solo a temperaturas de aproximadamente 220 ° C. La temperatura de funcionamiento de un chip de computadora es significativamente más baja, por lo general alrededor de 85 ° C, y un refrigerador de cocina tendría que funcionar aún a temperaturas más bajas. El polímero de Penn State muestra la misma oscilación de 12 grados que la cerámica, pero funciona a una temperatura relativamente baja de 55 ° C.
El polímero también absorbe mejor el calor. En un dispositivo de enfriamiento, además del cambio de temperatura, también necesita saber cuánto calor puede absorber de los lugares que necesita enfriar, dice Qiming Zhang , profesor de ingeniería eléctrica en Penn State, quien dirigió el nuevo trabajo. El polímero, dice Zhang, puede absorber siete veces más calor que la cerámica.
Zhang atribuye estas cualidades a la disposición más flexible de los átomos en los polímeros. En una cerámica, los átomos son más rígidos, por lo que es más difícil moverlos, dice. Los átomos se pueden mover en los polímeros mucho más fácilmente usando un campo eléctrico, por lo que el efecto electrocalórico en el polímero es mucho mejor que en la cerámica.
Las propiedades del material lo convierten en un candidato atractivo para aplicaciones de refrigeración de portátiles, dice el ingeniero de Intel Rajiv Mongia, que estudia tecnologías de refrigeración. Los fabricantes de computadoras buscan alternativas menos voluminosas a los disipadores de calor y ventiladores ruidosos que se utilizan actualmente en las computadoras portátiles y de escritorio. La tecnología ideal sería lo suficientemente pequeña para integrarse en un chip de computadora.
Hasta ahora, dice Mongia, explorar el efecto electrocalórico para el enfriamiento de chips no tenía sentido. Los primeros materiales cerámicos no mostraron cambios de temperatura lo suficientemente grandes (el enfriamiento de la viruta requiere reducciones de al menos 10 ° C) y las cerámicas más recientes no funcionan a temperaturas lo suficientemente bajas. También contienen plomo, un material peligroso que es difícil de eliminar de forma segura. Los polímeros no tienen esos inconvenientes. El hecho de que hayan podido desarrollar un material de tipo polímero que pueda usarse en una película relativamente delgada merece una segunda mirada, dice Mongia. Además, está funcionando en un rango de temperatura que nos interesa.
Pero los dispositivos de enfriamiento de chips tardarán un tiempo en llegar. Ahora se necesitan 120 voltios para que el polímero cambie su disposición atómica, y esa cifra debería ser mucho menor si el material se va a usar en computadoras portátiles. Idealmente, desea que funcione a voltajes comunes dentro del ámbito de una computadora portátil, en decenas de voltios o menos, dice Mongia. Los investigadores también necesitarán diseñar un dispositivo de trabajo que contenga las películas delgadas.
Los materiales electrocalóricos podrían hacer que los refrigeradores sean más ecológicos. Los frigoríficos domésticos actuales utilizan un ciclo de compresión de vapor, en el que un refrigerante se convierte entre líquido y vapor para absorber el calor del compartimento aislado. La necesidad de compresión mecánica reduce la eficiencia del frigorífico. Los refrigeradores enfriados por vapor tienen una eficiencia del 30 al 40 por ciento, dice Mathur. Pero debido a que los materiales electrocalóricos no tienen partes móviles, podrían conducir a dispositivos de enfriamiento que son más eficientes energéticamente que los frigoríficos actuales. Es más, los refrigerantes de hidrofluorocarbonos actuales contribuyen al calentamiento global.
Los frigoríficos que utilizan materiales electrocalóricos tendrían una ventaja sobre los sistemas de refrigeración magnéticos que están desarrollando algunas empresas y grupos de investigación. Los campos eléctricos lo suficientemente grandes como para producir cambios sustanciales de temperatura en los materiales electrocalóricos son mucho más fáciles y baratos de producir que los campos magnéticos utilizados en los sistemas de refrigeración experimentales, que requieren grandes imanes superconductores o imanes permanentes costosos. Sin embargo, los refrigeradores necesitan rangos de temperatura de 40 ° C, lo cual es una tarea difícil para los materiales electrocalóricos en este momento, dice Mathur. El principal escollo en términos de tecnología es que tenemos películas delgadas y no se puede enfriar mucho con una película delgada.
Zhang y sus colegas ahora están tratando de diseñar mejores polímeros electrocalóricos. Planean estudiar polímeros hechos de cristales líquidos, que se utilizan en pantallas planas. Los cristales líquidos contienen moléculas en forma de varilla que se alinearán con un campo eléctrico y volverán a su disposición original cuando se elimine el campo. Zhang dice que esta propiedad podría explotarse para fabricar materiales que absorban y liberen grandes cantidades de calor en respuesta a campos eléctricos.