Ferroelectric nematic liquid crystals: temperature-tunable electrocaloric fluids with large strength at low fields

Het koelen van onze wereld heeft altijd een zware prijs gehad. Al meer dan een eeuw vertrouwen de machines die ons voedsel vers houden en onze huizen comfortabel maken op het comprimeren van gassen, een proces dat enorme hoeveelheden elektriciteit verbruikt en chemicaliën lekt die schadelijk zijn voor de atmosfeer. Hoewel ingenieurs decennia lang hebben geprobeerd deze systemen schoner te maken, blijft de fundamentele methode hetzelfde, en de energierekening blijft stijgen. Wetenschappers zoeken nu naar een ander pad, een pad waarbij elektriciteit niet wordt gebruikt om een motor aan te drijven, maar om direct de temperatuur van een materiaal te veranderen. Dit fenomeen, bekend als het elektrocalorisch effect, werkt door een elektrisch veld op een substantie uit te oefenen, waardoor de interne atomen zich herordenen en warmte afgeven of absorberen. Het doel is om een materiaal te vinden dat dit efficiënt kan doen, zonder enorme hoeveelheden vermogen of complexe machines te vereisen, en bij voorkeur één die als een vloeistof door een systeem gepompt kan worden om warmte af te voeren.

Een team onderzoekers heeft nu een nieuwe familie vloeistoffen geïdentificeerd die de sleutel tot deze technologie zouden kunnen zijn. Dit zijn niet de vaste blokken keramiek of plastic die gewoonlijk voor koeling worden bestudeerd, maar vloeibare kristallen die een unieke eigenschap bezitten: ze zijn ferro-elektrisch. In simpelere termen hebben deze vloeistoffen moleculen die van nature in een specifieke richting uitlijnen, waardoor er een interne elektrische orde ontstaat, vergelijkbaar met kleine magneten die in een rij staan. Wanneer een elektrisch veld wordt toegepast, verschuiven deze moleculen, en deze verschuiving zorgt ervoor dat het materiaal opwarmt of afkoelt. De onderzoekers concentreerden zich op een specif으로 type van deze vloeistoffen, genaamd ferro-elektrische nematische vloeibare kristallen, en ontdekten dat ze reageren op extreem zwakke elektrische signalen, veel zwakker dan wat nodig is voor vaste materialen.

Het team testte twee specifieke mengsels van deze vloeistoffen, geleverd door een chemisch bedrijf, om te zien hoe ze zich gedragen onder een elektrisch veld. Ze maten de temperatuurveranderingen op twee manieren. Eerst berekenden ze de verwachte verandering door te observeren hoe de interne elektrische uitlijning van het materiaal veranderde wanneer de temperatuur veranderde. Deze indirecte methode suggereerde dat het toepassen van een veld van slechts 0,1 volt per micrometer een temperatuursprong van bijna 0,4 graden Celsius kon veroorzaken. Om dit te bevestigen, voerden ze directe metingen uit, waarbij ze een minuscule temperatuursensor direct in de vloeistof tussen twee elektroden plaatsten. Wanneer ze het elektrische veld aan- en uitzetten, zagen ze de temperatuur in realtime stijgen en dalen. De directe metingen lieten een temperatuurverandering zien van ongeveer 0,2 graden Celsius voor een veld van slechts 0,1 volt per micrometer. Hoewel dit directe getal kleiner was dan de berekende voorspelling, legden de onderzoekers uit dat de extra warmte van de container en de sensor zelf het volledige effect maskeerden, wat betekent dat het werkelijke potentieel van de vloeistof waarschijnlijk nog hoger ligt.

Wat deze bevindingen bijzonder spannend maakt, is de enorme kracht van het effect in verhouding tot het gebruikte vermogen. De onderzoekers ontdekten dat voor elke eenheid aangelegd elektrisch veld, de temperatuurverandering tot wel 100 procent groter is dan wat wordt gezien bij huidige, geavanceerde vaste materialen. Bovendien werken deze vloeistoffen effectief over een breed temperatuurbereik. Het team testte 129 verschillende mengsels van deze vloeibare kristallen en ontdekte dat ze zo gemanipuleerd kunnen worden dat ze tussen hun geordende en ongeordende toestanden kunnen schakelen op elk punt tussen 0 graden Celsius en 100 graden Celsius. Dit betekent dat een koelsysteem op maat gebouwd kan worden om te werken in een koelkast, een auto of een computerchip, simpelweg door het juiste vloeistofmengsel te kiezen.

De studie onderzocht ook hoe efficiënt dit proces zou kunnen zijn in een echte koelcyclus. Door te modelleren hoe deze vloeistoffen door een systeem zouden bewegen, waarbij ze warmte absorberen op een koud punt en afgeven op een warm punt, voorspelden de onderzoekers een prestatieparameter die bekend staat als de coefficient of performance. Voor een temperatuurverschil van 5 tot 10 graden kan de vloeistof een waarde bereiken tussen de 21 en 40. Dit is een concurrerend cijfer, vergelijkbaar met de beste vaste materialen die momenteel beschikbaar zijn, maar met het extra voordeel dat de vloeistof zelf als koelmiddel kan dienen. Omdat het materiaal een vloeistof is, kan het door een apparaat gepompt worden, wat de noodzaak voor een aparte warmteoverdrachtsvloeistof wegneemt en compactere, efficiëntere ontwerpen mogelijk maakt.

De onderzoekers benadrukten dat de elektrische velden die nodig zijn om dit effect te triggeren buitengewoon laag zijn, ongeveer een orde van grootte kleiner dan wat nodig is voor vaste keramiek. Deze lage voltagevereiste is een aanzienlijk praktisch voordeel, omdat het betekent dat de elektronica die nodig is om een dergelijk koelsysteem aan te drijven eenvoudiger, goedkoper en minder vatbaar voor defecten is. Hoewel de directe metingen iets lager waren dan de theoretische voorspellingen vanwege de experimentele opstelling, suggereert de consistentie tussen de twee methoden en het gedrag van meer dan honderd andere mengsels dat deze vloeistoffen een robuuste kandidaat zijn voor de toekomst van koeling. Het werk beweert niet dat het het probleem van de opwarming van de aarde of het energieverbruik van de ene op de andere dag heeft opgelost, maar het biedt een tastbare, meetbare stap naar een schonere, efficiëntere manier om warmte te beheren, waarbij een eenvoudige vloeistof wordt veranderd in een krachtig instrument voor de volgende generatie koeling.