В лаборатории Массачусетского технологического института был опробован новый температурный метод управления электро- и теплопроводностью.

Физическим основанием предложенного способа стал фазовый переход «твёрдое тело — жидкость». Поскольку он не связан с интересовавшим учёных переходом «металл — диэлектрик», в тестируемую жидкость пришлось добавлять наночастицы. При её замерзании и образовании кристаллов частицы выталкиваются к межзёренным границам, в результате чего область контакта между частицами увеличивается, и это приводит к возрастанию теплопроводности и электрической проводимости.

Для того чтобы продемонстрировать возможности методики, физики приготовили суспензию графита, пластинки которого имели диаметр в несколько микрометров и нанометровую толщину, в гексадекане — углеводороде с очень удобной температурой плавления (18 ˚C). Стабильность полученных образцов оказалась вполне удовлетворительной: во время осмотра суспензии, оставленной в покое на три месяца, никакого осадка обнаружено не было.

Рис. 1. Суспензия графита в гексадекане (объёмная доля графита — 0,2%), помещённая под оптический микроскоп. Масштабная полоска — 200 мкм. На врезке показана баночка с суспензией, три месяца простоявшая на полке. (Здесь и далее иллюстрации из журнала Nature Communications).

Измеряя удельную электропроводность образцов, авторы выяснили, что в диапазоне 18,5–17,5 ˚C она меняется на два порядка, сохраняя одно из двух устойчивых значений при меньших и бóльших температурах. Наибольшая амплитуда вариации — 250 раз — была зарегистрирована в тех условиях, когда объёмная доля графита составляла около 0,8%. На первом периоде циклических колебаний температуры, заданных в эксперименте, амплитуда изменения электропроводности достигала максимума, после чего несколько уменьшалась и приходила к постоянной величине.

То же можно сказать и об удельной теплопроводности. Правда, она изменялась не так сильно, увеличиваясь при понижении температуры всего в два или три раза.

Такой метод, естественно, будет работать и для других комбинаций жидкости и частиц, что позволяет задавать самые разные температуры перехода. Доказательством этого служат результаты опытов с суспензиями графита в воде и углеродных нанотрубок в гексадекане.

Правильно подобранная комбинация материалов может использоваться в качестве надёжного предохранителя. В нормальных условиях она будет иметь низкое сопротивление, но при опасном разогреве электронной схемы сопротивление начнёт увеличиваться, и вскоре протекание тока будет остановлено. Оператору даже не придётся вмешиваться в работу защищаемой схемы: когда температура вернётся в норму, сопротивление предохранителя уменьшится автоматически.

Рис. 2. Изменение удельных электро- и теплопроводности образцов при увеличении температуры. Разные цвета соответствуют разным объёмным долям графита.

Рис. 3. Результаты измерений для суспензии графита в воде (слева) и углеродных нанотрубок в гексадекане. Объёмные доли графита и нанотрубок равны 1%.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Ruiting Zheng, Jinwei Gao, Jianjian Wang & Gang Chen Reversible temperature regulation of electrical and thermal conductivity using liquid–solid phase transitions. – Nature Communications 2, Article number: 289 doi:10.1038/ncomms1288.