Un matériau barocalorique à haute densité énergétique pourrait permettre la mise au point de dispositifs de refroidissement à l'état solide plus petits et plus légers
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Une équipe de chercheurs de l'Institut de physique de l'état solide, des Instituts des sciences physiques de Hefei de l'Académie chinoise des sciences, a découvert un effet barocalorique à haute densité énergétique dans le conducteur superionique plastique Ag₂Te₁₋ₓSₓ.
Conducteur plastique superionique Ag₂Te₁₋ₓSₓ
TONG Peng
"Ce matériau présente une performance barocalorique volumétrique bien supérieure à celle de la plupart des matériaux inorganiques connus", a déclaré le professeur TONG Peng, qui a dirigé l'équipe. "Sa haute densité énergétique le rend bien adapté à des dispositifs de refroidissement plus petits et plus légers."
Les résultats ont été publiés en ligne dans Advanced Functional Materials .
La réfrigération moderne repose principalement sur des systèmes à compression de vapeur, qui utilisent des réfrigérants à effet de serre et sont déjà proches de leur limite d'efficacité. La réfrigération barocalorique - refroidissement par application d'une pression sur des matériaux solides - offre une alternative plus propre et potentiellement plus efficace. Cependant, un facteur clé pour les dispositifs réels, le changement d'entropie volumétrique, n'a pas été bien étudié.
Grâce à une simulation par éléments finis, l'équipe a découvert que la réduction de la taille du récipient augmente sa capacité à supporter la pression, ce qui permet de réduire l'épaisseur de la paroi et d'obtenir une réduction de poids secondaire. Cette constatation met en évidence la nécessité de disposer de matériaux à haute densité énergétique, alors que la plupart des matériaux barocaloriques connus sont encore insuffisants dans ce domaine.
Dans cette étude, l'équipe s'est concentrée sur une solution solide dense, Ag₂Te₁₋ₓSₓ. Les expériences ont montré que sous une pression modérée de seulement 70 MPa, le matériau produit un changement d'entropie volumétrique réversible de 0,478 J-cm-³-K-¹, la valeur la plus élevée rapportée jusqu'à présent pour un matériau barocalorique inorganique. Sa force barocalorique, 6,82 mJ-cm-³-K-¹-MPa-¹, surpasse également la plupart des systèmes inorganiques et même des matériaux organiques bien connus tels que le néopentylglycol.
Les données de diffraction des neutrons révèlent les causes de cette réponse thermique exceptionnellement forte. Lorsqu'une pression est appliquée, le matériau subit un changement structurel d'une phase cubique à une phase monoclinique, accompagné d'un changement de volume du réseau d'environ 5,4 %. Dans le même temps, la diffusion des ions d'argent à l'intérieur de la structure se modifie fortement, ce qui amplifie encore l'effet calorique.
Le matériau présente également plusieurs avantages pratiques. Il conduit relativement bien la chaleur et est très déformable, ce qui permet de le façonner en pastilles millimétriques ou en feuilles minces capables d'échanger efficacement de la chaleur. Même après une déformation importante, des changements de température rapides et des cycles de pression répétés, les performances barocaloriques restent stables, ce qui est un signe important de fiabilité pour les futures technologies de refroidissement à l'état solide.
Ce travail présente une nouvelle plateforme de matériaux qui combine des effets barocaloriques volumétriques géants, une bonne aptitude au traitement mécanique et une conductivité thermique relativement élevée, offrant ainsi de nouvelles possibilités pour les technologies de refroidissement vertes de la prochaine génération.
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