Des chercheurs à Hong Kong ont mis au point une stratégie durable et contrôlable pour manipuler le transfert de chaleur interfaciale, ouvrant ainsi la voie à l’amélioration des performances des systèmes de refroidissement écologiques dans divers domaines tels que l’électronique, les bâtiments et les panneaux solaires.
Face à la demande croissante de solutions de refroidissement efficaces due à l’augmentation des températures mondiales, les scientifiques explorent activement des technologies de refroidissement économes en énergie.
Contrairement au refroidissement actif, qui dépend entièrement de la consommation d’énergie pour fonctionner, le refroidissement passif repose 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 suscite un intérêt considérable en raison de son caractère écologique et de son absence de consommation électrique.
Les cadres organométalliques (MOFs) : une piste prometteuse
Un domaine d’étude émergent est le refroidissement passif utilisant des cadres organométalliques (MOFs), des matériaux poreux capables de capturer la vapeur d’eau de l’air et d’augmenter l’efficacité énergétique dans les applications de refroidissement à température ambiante. Cependant, les MOFs 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 MOFs réduit encore leur conductivité thermique effective, limitant ainsi les possibilités de manipulation des propriétés de transport thermique intrinsèques des MOFs pour améliorer leurs performances de refroidissement.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs se sont tournés vers la dissipation thermique interfaciale entre les MOFs et les matériaux avec lesquels ils sont en contact. Diverses approches, telles que l’utilisation de couches d’adhésion, de nanostructures, de modifications chimiques et de monocouches auto-assemblées, ont été employées pour améliorer la conductance thermique interfaciale (ITC).
Cependant, la synthèse ou la fabrication de couches tampons avec un contrôle atomique précis reste une tâche ardue, limitant les applications potentielles de ces méthodes.
Une stratégie innovante pour le transfert de chaleur interfaciale
Dans leurs travaux novateurs, l’équipe de recherche dirigée par le Professeur ZHOU Yanguang du Département de génie mécanique et aérospatial de la HKUST a introduit une stratégie durable et contrôlable pour manipuler le transfert de chaleur interfaciale entre le substrat en contact et les MOFs typiques en utilisant un processus d’adsorption d’eau. Grâce à des mesures de thermoréflexion en domaine de fréquence (FDTR) et à des simulations de dynamique moléculaire (MD), ils ont démontré une amélioration remarquable de l’ITC entre le substrat en contact et les MOFs.
L’ITC a été augmentée de 5,3 MW/m²K à 37,5 MW/m²K, représentant une amélioration d’environ 7,1 fois. Des améliorations efficaces ont également été 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 au sein des MOFs. 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 en domaine de fréquence développée par l’équipe a révélé que l’eau adsorbée non seulement active les vibrations à haute fréquence, mais augmente également le chevauchement de la densité d’états vibratoires entre le substrat et le MOF, ce qui améliore la dissipation de l’énergie thermique du substrat vers le MOF, mettant en évidence l’effet de pont des molécules d’eau adsorbées.
« Cette étude innovante non seulement fournit de nouvelles perspectives sur le transport thermique à travers les MOFs et d’autres matériaux, mais offre également un grand potentiel pour améliorer les performances des applications de refroidissement impliquant des MOFs. En tirant parti du processus d’adsorption d’eau, notre équipe a réalisé une avancée dans la manipulation du transfert de chaleur interfaciale, ouvrant la voie à des technologies de refroidissement plus efficaces », a précisé le Professeur Zhou.
Légende illustration : ZHOU Yanguang (deuxième à droite), professeur adjoint d’ingénierie mécanique et aérospatiale à la HKUST, et ses étudiants en doctorat FAN Hongzhao (premier à gauche), WANG Guang (deuxième à gauche) et LI Jiawang (premier à droite). Crédit : HKUST
Article : « Direct observation of tunable thermal conductance at solid/porous crystalline solid interfaces induced by water adsorbates » – DOI: 10.1038/s41467-024-46473-8
