Des scientifiques de l'UCLA ont développé un dispositif de refroidissement innovant, composé de plusieurs couches minces de films polymères ferroélectriques recouverts de nanotubes de carbone. Ce dispositif, d'une épaisseur totale d'environ 6 mm, utilise à la fois l'effet électrocalorique et l'électrostriction pour abaisser et évacuer la température de son environnement immédiat jusqu'à 8,8 °C, avec des pics à 14 °C près de la source de chaleur.
Un nouveau dispositif de refroidissement développé par l'UCLA est constitué de six fines couches de films polymères recouverts de nanotubes. Crédit: Laboratoire de recherche sur les matériaux souples de l'UCLA
Le cœur de cette technologie repose sur des films polymères ferroélectriques qui, sous l'effet d'un champ électrique, changent à la fois de température (effet électrocalorique) et de forme (électrostriction). Ce processus, alternant compression et expansion, permet un pompage continu de la chaleur. Contrairement aux systèmes de climatisation traditionnels, ce dispositif ne nécessite pas de gaz réfrigérants, réduisant ainsi son impact environnemental.
L'équipe de recherche, dirigée par Qibing Pei, professeur en science des matériaux à l'UCLA, a conçu une cascade de films polymères pour maximiser l'efficacité du transfert thermique. Cette architecture permet d'atteindre un différentiel de température de 14,2 °C.
L'équipe de recherche envisage des applications variées pour cette technologie, notamment dans le domaine des accessoires portables de refroidissement. Ces dispositifs pourraient offrir une solution énergétiquement efficace pour les travailleurs exposés à des températures élevées.
Les avantages de ce dispositif incluent sa simplicité, son efficacité énergétique et son potentiel d'intégration dans des systèmes portables. Les chercheurs soulignent l'importance de développer des technologies de refroidissement alternatives face à l'augmentation des températures mondiales.
Le dispositif a été testé en laboratoire, démontrant sa capacité à maintenir un refroidissement continu. Les résultats de ces expériences ont été publiés dans la revue Science, marquant une étape importante vers des applications pratiques.
Les films polymères du dispositif se dilatent et se contractent comme un accordéon pour pomper la chaleur d'une source, la refroidissant ainsi. Crédit: Laboratoire de recherche sur les matériaux souples de l'UCLA
En plus de ses applications potentielles dans les technologies portables, ce dispositif pourrait également être utilisé pour refroidir des composants électroniques flexibles. Les chercheurs travaillent actuellement à l'optimisation de cette technologie pour une utilisation à grande échelle.
Qu'est-ce que l'effet électrocalorique ?
L'effet électrocalorique est un phénomène physique où un matériau change de température en réponse à un champ électrique appliqué. Ce changement est dû à la réorientation des dipôles électriques au sein du matériau, ce qui modifie son entropie et, par conséquent, sa température.
Dans le contexte des dispositifs de refroidissement, l'effet électrocalorique permet de pomper la chaleur d'une zone à une autre sans utiliser de fluides réfrigérants. Cela rend les systèmes de refroidissement plus respectueux de l'environnement et potentiellement plus efficaces.
Les matériaux électrocaloriques sont particulièrement prometteurs pour les applications portables en raison de leur flexibilité et de leur faible consommation d'énergie.
La recherche sur l'effet électrocalorique ouvre de nouvelles voies pour le développement de technologies de refroidissement alternatives, essentielles dans un contexte de réchauffement climatique.
Comment fonctionnent les polymères ferroélectriques dans ce dispositif ?
Les polymères ferroélectriques sont des matériaux qui changent de température et de forme sous l'effet d'un champ électrique. Dans le dispositif de refroidissement de l'UCLA, ces polymères sont organisés en couches minces, chacune recouverte de nanotubes de carbone pour améliorer leur conductivité électrique.
Lorsqu'un champ électrique est appliqué, les couches de polymère se compressent (électrostriction) et libèrent de la chaleur (effet électrocalorique). Lorsque le champ électrique est retiré, les couches se détendent et absorbent la chaleur de l'environnement. Ce cycle de compression et d'expansion permet un transfert continu de chaleur.
Cette mécanique d'action, similaire à celle d'un accordéon, est à la fois simple et efficace. Elle permet au dispositif de fonctionner sans pièces mobiles complexes, réduisant ainsi les risques de panne et les besoins en maintenance.
L'utilisation de polymères ferroélectriques dans des dispositifs de refroidissement représente une avancée significative dans le domaine des matériaux intelligents, offrant des solutions innovantes pour la gestion thermique.