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科学家创造了世界上最小的冰箱

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您如何保持世界上最小的苏打水冷?加州大学洛杉矶分校的科学家可能有答案。由UCLA物理学教授Chris Regan领导的团队成功创建了厚度仅为100纳米(约十分之一米的热电冷却器),并开发了一种创新的新技术来测量其冷却性能。

“我们制造了世界上最小的冰箱,”最近在ACS Nano杂志上发表的有关研究的论文的主要作者雷根说。

需要明确的是,这些微型设备并不是日常意义上的冰箱-没有门或抽屉更脆。但是在更大范围内,相同的技术可用于冷却计算机和其他电子设备,调节光纤网络中的温度并减少高端望远镜和数码相机中的图像“噪声”。

什么是热电设备,它们如何工作?

通过将两种不同的半导体夹在金属化的板之间制成,这些器件以两种方式工作。加热时,一侧变热而另一侧保持凉爽。温差可以用来发电。例如,NASA旅行者号航天器上的科学仪器已经由包裹发热的thermo的热电设备提供了40年的电力。将来,可能会使用类似的设备来帮助从汽车排气中吸收热量,为空调提供动力。

但是该过程也可以反向进行。当向设备施加电流时,一侧变热而另一侧变冷,从而使其可用作冷却器或冰箱。这项技术可能会在一天之内取代冰箱中的蒸汽压缩系统,并使您的生活苏打水保持霜状。

为了创建他们的热电冷却器,Regan的团队(包括六名UCLA本科生)使用了两种标准的半导体材料:碲化铋和锑-碲化铋。他们将常规的透明胶带粘在大块的常规散装材料上,将其剥下,然后从仍粘在胶带上的材料中收获薄的单囊片。他们用这些薄片制成了厚度仅为100纳米的功能性设备,其总有效体积约为1立方微米,肉眼看不到。

透视一下这个微小的体积:您的指甲每秒增长数千立方微米。如果您的表皮是在制造这些微小的冷却器,而不是在制造指甲,则每个手指每秒将生产出5,000多个设备。

论文的作者之一,里根(Regan)研究小组的前本科生,新沂玲说:“我们打破了世界上最小的热电冷却器的记录一万多倍。”

尽管热电设备由于其体积小,缺少运动部件和可靠性等优点而被用于利基应用,但与传统的基于压缩的系统相比,其低效率阻碍了该技术的广泛采用。简而言之,热电设备还不能产生足够的电能,也不能保持足够冷。

但是,通过关注纳米结构(至少一维尺寸在1到100纳米范围内的设备),Regan和他的团队希望发现合成性能更好的散装材料的新方法。高性能热电冷却器中的材料所追求的??特性是良好的电导率和较差的导热率,但是这些特性几乎总是相互排斥的。但是,在类似于Regan团队创建的二维结构中可能会找到一个成功的组合。

团队的纳米级“冰箱”的另一个显着特点是,它几乎可以立即做出响应。

里根说:“它的小尺寸使其比容积为一毫米的冰箱快几百万倍,而这已经比厨房里的冰箱快几百万倍。”

他说:“一旦我们了解了热电冷却器在原子级和近原子级的工作原理,我们就可以扩大规模,获得巨大的回报。”

在如此小的设备中测量温度是一个挑战。光学温度计在如此小的规模下分辨率较差,而扫描探针技术则需要专门的昂贵设备。两种方法都需要认真进行校准。

2015年,里根(Regan)的研究小组开发了一种称为PEET或等离激元能量膨胀测温的测温技术,该技术使用透射电子显微镜通过测量密度变化来确定纳米级的温度。

为了测量其热电冷却器的温度,研究人员将由铟元素制成的纳米颗粒沉积在每个纳米颗粒上,然后选择一种特定的颗粒作为其温度计。随着团队改变施加在冷却器上的电量,设备被加热和冷却,铟相应地膨胀和收缩。通过测量铟的密度,研究人员能够确定纳米颗粒的精确温度,从而确定更凉的温度。

加州大学洛杉矶分校加利福尼亚州纳米系统研究所的成员里根说:“ PEET具有在几纳米尺度上绘制热梯度的空间分辨率,这对于纳米结构热电材料而言几乎是一种尚未探索的状态。”

为了补充PEET的测量,研究人员发明了一种称为冷凝测温的技术。基本思想很简单:当正常空气冷却到一定的温度(露点)时,空气中的水蒸气会凝结成液滴,无论是露水还是雨水。该团队通过使用光学显微镜观察设备的电源来利用这种效应。当设备达到露点时,其表面会立即形成微小的露珠。

里根赞扬他的学生研究人员在帮助开发和测量纳米级器件性能方面的工作。

里根说:“将先进的材料科学和电子显微镜与诸如冷藏和结露等日常领域的物理学联系起来,可以帮助学生很快地解决问题。” “看着他们学习和创新,使我对热电的未来充满了希望。”

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