Des chercheurs développent une stratégie durable pour manipuler le transfert de chaleur interfacial pour des applications de refroidissement respectueuses de l'environnement

Des chercheurs de l'École d'ingénierie de l'Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST) ont développé une stratégie durable et contrôlable pour manipuler le transfert de chaleur interfacial, ouvrant la voie à l'amélioration des performances du refroidissement écologique dans diverses applications telles que l'électronique, bâtiments et panneaux solaires.

Les travaux de recherche de l'équipe, intitulés « Observation directe de la conductance thermique accordable aux interfaces solides cristallines solides/poreuses induites par les adsorbates d'eau », ont été récemment publiés dans Communications naturelles. Dirigée par le professeur Zhou, l'équipe comprenait son doctorat. les étudiants Wang Guang, Fan Hongzhao et Li Jiawang, ainsi que le chef associé du département de génie mécanique et aérospatial de la HKUST, le professeur Li Zhigang.

Alors que la demande de solutions de refroidissement efficaces continue de croître en raison de la hausse de la température mondiale, les scientifiques du monde entier explorent activement des technologies de refroidissement économes en énergie et plus efficaces. Comparé au refroidissement actif, dont le fonctionnement dépend entièrement de la consommation d'énergie, le refroidissement passif s'appuie sur des processus naturels et des principes de conception pour réduire la chaleur et maintenir une température confortable avec une consommation d'énergie faible ou nulle. Cette approche a donc suscité un grand intérêt parmi les chercheurs en raison de son caractère écologique et de sa caractéristique zéro électricité.

Un domaine d'étude émergent est le refroidissement passif utilisant des structures métallo-organiques (MOF), qui sont des matériaux poreux capables de capter la vapeur d'eau de l'air et d'être utilisés pour augmenter l'efficacité énergétique dans les applications de refroidissement des locaux à température ambiante.

Cependant, les MOF présentent généralement une faible conductivité thermique, ce qui en fait de mauvais conducteurs thermiques. De plus, la présence de molécules d’eau adsorbées dans les MOF réduit encore leur conductivité thermique effective. Cette limitation laisse peu de place à la manipulation des propriétés intrinsèques de transport thermique des MOF pour améliorer leurs performances de refroidissement.

Pour résoudre ce problème, des chercheurs du monde entier se sont intéressés à la dissipation thermique interfaciale entre les MOF et les matériaux avec lesquels ils entrent en contact. Diverses approches, notamment l'utilisation de couches d'adhésion, de nanostructures, de modifications chimiques et de monocouches auto-assemblées, ont été utilisées pour améliorer la conductance thermique interfaciale (ITC). Cependant, synthétiser ou fabriquer des couches tampons avec un contrôle atomique précis constitue une tâche difficile, limitant les applications potentielles de ces méthodes.

Dans son travail pionnier, l'équipe de recherche dirigée par le professeur Zhou Yanguang du Département de génie mécanique et aérospatial de HKUST a introduit une stratégie durable et contrôlable pour manipuler le transfert de chaleur interfacial entre le substrat en contact et les MOF typiques en utilisant un processus d'adsorption d'eau.

Grâce à des mesures complètes de thermoréflectance dans le domaine fréquentiel (FDTR) et à des simulations de dynamique moléculaire (MD), ils ont démontré une amélioration remarquable de l'ITC entre le substrat contacté et les MOF. L'ITC a été augmenté de 5,3 MW/m²K à 37,5 MW/m²K, représentant une amélioration d'environ 7,1 fois. Des améliorations efficaces sont également observées dans d’autres systèmes Au/MOF.

L’équipe de recherche attribue cette amélioration à la formation de canaux d’eau denses facilitée par les molécules d’eau adsorbées dans les MOF. Ces canaux servent de voies thermiques supplémentaires, améliorant considérablement le transfert d'énergie thermique à travers les interfaces.

Une analyse plus approfondie utilisant la méthode de décomposition directe dans le domaine fréquentiel développée par l'équipe a révélé que l'eau adsorbée active non seulement les vibrations à haute fréquence, mais augmente également le chevauchement de la densité vibratoire des états entre le substrat et le MOF, ce qui améliore la dissipation de l'énergie thermique du substrat au MOF, mettant en évidence l’effet pont des molécules d’eau adsorbées.

« Cette étude innovante fournit non seulement de nouvelles informations sur le transport thermique à travers les MOF et d'autres matériaux, mais est également très prometteuse pour améliorer les performances des applications de refroidissement impliquant des MOF. En tirant parti du processus d'adsorption de l'eau, notre équipe a réalisé une percée dans la manipulation de la chaleur interfaciale. transfert, ouvrant la voie à des technologies de refroidissement plus efficaces », a déclaré le professeur Zhou.