材料的绝缘性能可以随意调整

材料的电子和磁性能可以通过应用电子输入来显著改变，形成所有现代电子的支柱。但是，对任何材料的热导率实现同样的可调控制一直是一个难以实现的目标。

现在，麻省理工学院的一组研究人员向前迈出了一大步。他们设计了一种寻找已久的装置，他们称之为“电热阀”，可以根据需要改变热导率。他们证明，这种材料的导热能力在室温下可以“调整”10倍。

这项技术有可能为智能窗户、智能墙壁、智能服装、甚至是收集废热能量的新方法的可控隔热新技术打开大门。

这项研究结果发表在今天的《自然材料》杂志上，由麻省理工学院的比尔格·耶尔德兹和陈刚教授、新近毕业的卢启阳博士(18岁)和塞缪尔·胡伯曼博士(18岁)以及麻省理工学院和布鲁克海文国家实验室的其他六位教授共同撰写。

热导率描述了热在材料中的传递情况。例如，这就是为什么你可以很容易地拿起一个木制把手的热煎锅，因为木头的导热系数很低，但是你可能会因为拿起一个类似的金属把手的煎锅而烧伤，因为金属把手的导热系数很高。

研究人员使用了一种叫做氧化锶钴(SCO)的材料，这种材料可以制成薄膜。通过向SCO中添加一种叫做褐粉玄武岩的晶体形式的氧，热导率提高了。加入氢会导致电导率下降。

添加或去除氧和氢的过程可以简单地通过改变施加到材料上的电压来控制。本质上，这个过程是由电化学驱动的。总的来说，在室温下，研究人员发现这个过程使材料的热传导产生了十倍的变化。研究人员说，以前从未在任何材料中发现过如此数量级的电可控变化。

在大多数已知的材料中，导热系数是不变的——木材导热不好，金属导热不好。因此，当研究人员发现在一种材料的分子结构中加入某些原子实际上可以增加其导热系数时，这是一个出乎意料的结果。如果有什么不同的话，增加额外的原子——或者更具体地说，离子，被剥夺了一些电子的原子，或者带有多余电子的原子，给它们一个净电荷——应该会使电导率变差(事实证明，这是增加氢时的情况，而不是增加氧时的情况)。

“当我看到这个结果时，我很惊讶，”陈说。但在对该系统进行了进一步研究之后，他说，“现在我们对这种意想不到的现象发生的原因有了更好的理解”。

事实证明，将氧离子注入到棕褐色砂石SCO的结构中，会使它转变成一种钙钛矿结构，这种结构比原来的结构更加有序。“它从一个低对称结构变成了一个高对称结构。它还减少了所谓的氧空位缺陷位点的数量。这些一起导致了它更高的热传导，”Yildiz说。

热很容易通过这种高度有序的结构传导，而它往往被高度不规则的原子结构散射和消散。相比之下，引入氢离子会导致更无序的结构。

“我们可以引入更多的秩序，从而增加导热系数，或者我们可以引入更多的无序，从而导致更低的导热系数。除了我们的实验，我们还可以通过计算建模来解决这个问题。”Yildiz解释道。

她补充说，虽然在室温下，导热系数可以变化10倍左右，但在较低的温度下，变化甚至更大。

这种新方法使连续地在两个方向上改变那个阶数成为可能，只需改变施加在薄膜材料上的电压即可。该材料要么浸入离子液体(本质上是一种液体盐)，要么与固体电解质接触，当电压打开时，固体电解质向材料提供负氧离子或正氢离子(质子)。在液体电解质的情况下，氧和氢的来源是从周围空气中水解水。

Yildiz解释说:“我们在这里展示的实际上是一个概念的演示。”它们需要使用液体电解质介质来进行全范围的加氢和充氧，这一事实使得这种版本的系统“不容易适用于全固态设备，”她说，这将是最终的目标。还需要进一步的研究来制作一个更实用的版本。“我们知道有固态电解质材料”理论上可以代替液体，她说。该团队正在继续探索这些可能性，并展示了工作装置与固体电解质以及。

陈说:“在很多应用中，你都想调节热流。“例如,能源存储以热量的形式,从太阳能集热装置等,这将是有用的有一个容器,可以高度绝缘的保留,直到所需的热量,但随后可能转向高度导电时获取热能。“圣杯是我们可以用来储存能量的东西，”他说。“那是梦想，但我们还没有实现。”

但这是一项新发现，可能还有其他多种潜在用途。Yildiz说，这种方法“可以打开我们以前没想到的新应用程序”。虽然这项工作最初仅限于SCO材料，但“这一概念也适用于其他材料，因为我们知道，我们可以通过电化学的方法对一系列材料进行氧化或氢化，”她说。此外，虽然这项研究的重点是改变热性能，但同样的过程实际上还有其他影响，陈说:“它不仅改变了导热系数，还改变了光学性能。”

“这是一种真正创新和新颖的方法，使用离子插入和提取固体来调节或切换热导率，”奥地利维也纳大学(University of Vienna)化学技术和分析学教授于尔根·弗莱格(Juergen Fleig)说，他没有参与这项研究。“测量的效应(由两个相变引起)不仅非常大，而且是双向的，这是存在的。令我印象深刻的是，这些工艺在室温下工作得如此之好，因为这种氧化材料通常是在更高的温度下操作的。”

加州大学洛杉矶分校(University of California at Los Angeles)机械与航空航天工程副教授胡永杰(Yongjie Hu)也没有参与这项研究。这是一项非常激动人心的研究，也是实现这一目标的重要一步。这是第一份详细研究三态相结构和热性能的报告，可能为热管理和能源应用开辟新的领域。”

研究团队还包括麻省理工学院的张汉涛、宋启辰、王杰佑和瓦达尔，以及纽约厄普顿布鲁克海文国家实验室的艾德里安·亨特和伊拉德维纳利·瓦鲁约。这项工作得到了美国国家科学基金会和美国能源部的支持。