弗吉尼亞大學工程與應用科學學院的研究人員發現了一種制造多功能導熱體的方法，有望開發出更節能的電子設備、綠色建筑和太空探索。

他們已經證明，電子設備中使用的一種已知材料現在也可以用作熱調節器，只要它的形式非常純凈。這種新型材料使工程師能夠根據需要增加或減少熱導率，將絕緣體變成導體，反之亦然。

該研究小組于今年春天早些時候在《自然通訊》上發表了研究結果。這篇論文的標題是“反鐵電鋯酸鉛中固態雙向熱導開關的觀察”

導熱材料的雙向控制或“調諧”在需要在極端溫度下運行或承受極端溫度波動的電子和設備中尤其有用。設備需要在如此惡劣的條件下運行的場景之一是空間。

“太空中的溫度波動可能非常劇烈，”Kiumars Aryana說，他今年春天在UVA獲得了機械和航空航天工程博士學位，也是《自然通訊》論文的第一作者。“當我們建造用于太空探索的飛行器和設備時，這種熱傳輸技術可能是一個巨大的優勢。”

“火星探測器就是一個很好的例子，”Aryana說。月球車著陸點的地面溫度白天可達70華氏度，晚上可達零下146攝氏度。為了使電子設備在這些劇烈的溫度波動中工作，路虎依靠絕緣盒和加熱器來防止部件凍結，并依靠散熱器來防止部件燒壞。

“這種新的熱量管理模式基本上不那么復雜，意味著熱量調節更容易管理鈥攁nd速度更快。當散熱器或隔熱材料需要很長時間才能開始加熱或冷卻時，固態機制幾乎是瞬時的。能夠跟上快速的溫度變化也會使事情變得更安全。由于加熱和冷卻可以保持，因此加熱或冷卻導致故障的可能性鈥攐r更糟鈥攁再減少，”Aryana說。

與此同時，在地球上，有希望的用途包括大規模管理供暖和制冷，如建筑物，以及小規模管理，如電子電路板。更少的能源意味著更綠色的技術和更低的成本。

這一進步延續了UVA工程公司材料科學與工程、電氣與計算機工程副教授Jon Ihlefeld與惠特尼·斯通工程教授、機械與航空航天工程教授Patrick E.Hopkins以及Aryana顧問之間的長期合作。

伊勒菲爾德·霍普金斯團隊在過去十年中率先在晶體材料中開發出可調導熱系數，首先是在桑迪亞國家實驗室，現在是在UVA實驗室。

可調諧性是一種稱為鐵電體的功能材料所獨有的，鐵電體是Ihlefeld多功能薄膜研究小組的一個專業。

Ihlefeld說：“鐵電材料就像磁鐵，除了北極和南極之外，還有正負電荷。”。當施加到鐵電材料上時，電場或電壓會將材料表面的極性“翻轉”到相反的狀態，直到施加相反的電壓為止。

霍普金斯說：“通常，導熱性被認為是一種靜態材料特性。”。“如果你想把導熱體變成絕緣體，你必須永久性地改變它的結構，或將它與新材料結合起來。”

Ihlefeld和Hopkins之前的研究證明了如何利用電場降低熱導率，以及如何將材料集成到設備中以提高熱導率，但他們無法使相同的材料同時做到這兩個方面。

在這個項目中，團隊使用了一種反鐵電材料，其中熱和電壓都起作用。

霍普金斯說：“這種有趣的材料不僅是一種高質量的晶體，具有像非晶態玻璃一樣的熱導率趨勢，而且是固態的，它還為我們提供了兩個獨特的旋鈕來改變熱導率。”。“我們可以用激光或施加電壓快速加熱晶體，以主動調節熱導率和熱傳輸。”

Aryana說：“我們試圖用商用鋯酸鉛樣品測試雙向導熱性，但沒有成功。”。萊恩·馬丁（LaneMartin）是加州大學伯克利分校（University of California Berkeley）材料科學與工程系主任兼系主任，他提供了一份極其純凈的鋯酸鉛樣品。Aryana說：“使用Lane的樣本，我們在一次爆發中實現了38%的熱導率雙向變化，這是一個巨大的飛躍。”。

反鐵電材料結構本質上是雙向的。在晶格的最小重復單元中，一半的極性指向上，另一半的極性指向下，因此正負電荷相互抵消。當加熱時，晶體結構發生變化，反鐵電性消失，從而增加熱導率。施加電場則相反鈥攊t使材料轉變為鐵電體，熱導率降低。移除電壓后，網絡極性恢復為零。

晶體中支持反鐵電結構的原子的極性翻轉和排列導致了可觀察和可測量的熱散射事件鈥攕熱信號之類的東西鈥攚這意味著能量以可以預測和控制的方式在材料中擴散。

霍普金斯熱工實驗與模擬研究小組的成員在材料激光測量方面取得了許多進展。《自然通訊》的論文提出了一項基于光學測溫的實驗創新，在該實驗中，學生們使用第三臺激光器產生快速加熱事件，通過從反鐵電結構到順電結構的過渡來調制反鐵電薄膜，使其能夠在外加電場下極化。

為了對技術產生影響，工程師需要一個更大的“開-關”開關來快速移動或存儲更大比例的熱量。研究團隊的下一步工作包括更好地定義材料的局限性，以便設計出具有更高開關比的新材料，加速使用主動可調導熱材料。