Giant inverse elastocaloric effect of n -alkanes imbedded in a carbon-frame for room temperature thermal management
Source abstract
Abstract
Solid-state refrigeration technology, which utilizes phase transition materials responsive to an external field through which heat is exchanged with the environment, serves as a promising alternative to traditional vapor-compression refrigeration technologies. However, many existing solid-state refrigeration materials are limited by low latent heat, large external driving forces, high thermal hysteresis, or low thermal conductivity, limiting practical applications. In this work, through molecular dynamics simulations and thermodynamic analysis, we predict giant inverse elastocaloric effects in the composited alkane and carbon nanotube/graphene architectures. At near room temperature under a moderate compressive stress of ∼75 MPa, the estimated adiabatic temperature change (ΔT) and isothermal entropy change (ΔS) reach ∼23 K and 200 J kg-1 K-1, respectively, demonstrating an excellent elastocaloric performance and efficiency. The refrigeration efficiency (ΔT/Δσ) and thermal conductivity (κ) are significantly improved by one order of magnitude, reaching ∼500 K GPa-1 and ∼12 W m-1 K-1, respectively. Moreover, the application of compressive strain is able to bear the giant reversible elastocaloric effect, achieving cooling and heating with minimal hysteresis effects and no mechanical fatigue. The present work provides atomic-scale insights and important guidance for the design of n-alkanes as the prototypical amorphous polymers with eCE for room temperature solid-state refrigeration.
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Research context
OpenAlex topics: Thermal properties of materials · Polymer Nanocomposites and Properties · Thermal Expansion and Ionic Conductivity
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Affiliations
School of Physics, Hunan Key Laboratory of Super Microstructure and Ultrafast Process, Hunan Key Laboratory of Nanophotonics and Devices, State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China
Funding
National Natural Science Foundation of China · Natural Science Foundation of Hunan Province · State Key Laboratory of Powder Metallurgy
References (97)
Show source-provided references
1. Miliante · J. Mater. Chem. A · 2022 · 10 · 834410.1039/D1TA10892A ↗
2. García-Ben · Chem. Mater. · 2022 · 34 · 332310.1021/acs.chemmater.2c00137 ↗
3. Xu · Phys. Rev. B · 2024 · 110 · 6410310.1103/PhysRevB.110.064103 ↗
4. Xu · Phys. Rev. Appl. · 2024 · 22 · 1403610.1103/PhysRevApplied.22.014036 ↗
5. Xie · Appl. Phys. Lett. · 2024 · 125 · 3390310.1063/5.0209959 ↗
6. Chen · Innovation · 2022 · 3 · 100205
7. Lin · Innovation · 2024 · 5 · 100645
8. Kobeko · Z. Phys. · 1930 · 66 · 19210.1007/BF01392900 ↗
9. Warburg · Ann. Phys. · 1881 · 249 · 14110.1002/andp.18812490510 ↗
10. Salcedo Gallo · J. Phys. D: Appl. Phys. · 2021 · 54 · 30400310.1088/1361-6463/abfc88 ↗
11. Liu · J. Phys. Chem. C · 2016 · 120 · 1727410.1021/acs.jpcc.6b06416 ↗
12. Li · Nature · 2019 · 567 · 50610.1038/s41586-019-1042-5 ↗
13. Cazorla · Appl. Phys. Rev. · 2019 · 6 · 04131610.1063/1.5113620 ↗
14. Yuce · Appl. Phys. Lett. · 2012 · 101 · 07190610.1063/1.4745920 ↗
15. Yao · Appl. Phys. Lett. · 2023 · 123 · 24240510.1063/5.0178987 ↗
16. Xie · Phys. Rev. B · 2024 · 109 · 02440610.1103/PhysRevB.109.024406 ↗
17. Yang · J. Appl. Phys. · 2022 · 132 · 21510510.1063/5.0126307 ↗
18. Lloveras · Nat. Commun. · 2015 · 6 · 880110.1038/ncomms9801 ↗
19. Stern-Taulats · APL Mater. · 2016 · 4 · 09110210.1063/1.4961598 ↗
20. Yuan · Microporous Mesoporous Mater. · 2023 · 348 · 11239610.1016/j.micromeso.2022.112396 ↗
21. Yuan · Comput. Mater. Sci. · 2023 · 216 · 11187210.1016/j.commatsci.2022.111872 ↗
22. Aznar · Nat. Commun. · 2017 · 8 · 185110.1038/s41467-017-01898-2 ↗
23. Zhang · Mater. Horiz. · 2023 · 10 · 97710.1039/D2MH00905F ↗
24. Usuda · Eur. Polym. J. · 2017 · 92 · 28710.1016/j.eurpolymj.2017.05.017 ↗
25. Zhang · Innovation · 2024 · 5 · 100577
26. Genovese · Thermochim. Acta · 2006 · 443 · 23510.1016/j.tca.2006.02.008 ↗
27. Xu · Macromolecules · 2021 · 54 · 300110.1021/acs.macromol.0c02740 ↗
28. Ehlert · J. Phys. Chem. A · 2022 · 126 · 352110.1021/acs.jpca.2c02439 ↗
29. Jäger · Ind. Eng. Chem. Res. · 2023 · 62 · 376710.1021/acs.iecr.2c04238 ↗
30. Lin · Nat. Commun. · 2022 · 13 · 59610.1038/s41467-022-28229-4 ↗
31. Byrd · J. Phys. Chem. A · 2014 · 118 · 170610.1021/jp4121854 ↗
32. Lloveras · MRS Energy & Sustainability · 2021 · 8 · 3
33. Matsumoto · J. Phys. Soc. Jpn. · 2002 · 71 · 276510.1143/JPSJ.71.2765 ↗
34. Kondo · Appl. Phys. Express · 2008 · 1 · 07400310.1143/APEX.1.074003 ↗
35. Zhang · Appl. Phys. Lett. · 2023 · 123 · 5220210.1063/5.0155798 ↗
36. Zhang · iScience · 2024 · 27 · 11081510.1016/j.isci.2024.110815 ↗
37. Davis · Phys. Rev. Lett. · 2014 · 112 · 5550510.1103/PhysRevLett.112.055505 ↗
38. Hussein · Adv. Funct. Mater. · 2020 · 30 · 190671810.1002/adfm.201906718 ↗
39. Wei · APL Mater. · 2020 · 8 · 5110110.1063/5.0005021 ↗
40. Su · J. Phys. Chem. Lett. · 2024 · 15 · 196210.1021/acs.jpclett.3c03124 ↗
41. Fu · J. Mater. Chem. C · 202510.1039/D4TC03483J ↗
42. Zhang · J. Phys. Chem. Lett. · 2024 · 15 · 714110.1021/acs.jpclett.4c01369 ↗
43. Xu · Mater. Genome Eng. Adv. · 2024 · e3810.1002/mgea.38 ↗
44. Shi · Mater. Genome Eng. Adv. · 2024 · 2 · e5010.1002/mgea.50 ↗
45. Xu · Mater. Genome Eng. Adv. · 2023 · 1 · e1110.1002/mgea.11 ↗
46. Yu · Mater. Genome Eng. Adv. · 2024 · e5810.1002/mgea.58 ↗
47. Li · Appl. Phys. Lett. · 2022 · 120 · 07390210.1063/5.0081930 ↗
48. Li · Appl. Phys. Lett. · 2022 · 121 · 22390210.1063/5.0131123 ↗
49. Li · Appl. Phys. Lett. · 2023 · 123 · 18390210.1063/5.0170739 ↗
50. Li · Nat. Commun. · 2020 · 11 · 419010.1038/s41467-020-18043-1 ↗
51. Niu · Appl. Phys. Lett. · 2024 · 124 · 10390510.1063/5.0185596 ↗
52. Xu · Appl. Phys. Lett. · 2023 · 122 · 04390110.1063/5.0131696 ↗
53. S.Plimpton
54. Zhao · Adv. Funct. Mater. · 2022 · 32 · 220386610.1002/adfm.202203866 ↗
55. CRC Handbook of Chemistry and Physics , ed. J. R. Rumble , CRC Press , Boca Raton, London New York , 102nd edn 2021–2022, 2021
56. Müller-Plathe · J. Chem. Phys. · 1997 · 106 · 608210.1063/1.473271 ↗
57. Lin · Mech. Mater. · 2021 · 162 · 10403510.1016/j.mechmat.2021.104035 ↗
58. Ola · Sol. Energy Mater. Sol. Cells · 2019 · 191 · 29710.1016/j.solmat.2018.11.037 ↗
59. Chen · Adv. Energy Mater. · 2017 · 7 · 170082610.1002/aenm.201700826 ↗
60. Wang · Carbon · 2017 · 118 · 58810.1016/j.carbon.2017.03.092 ↗
61. Craig · J. Mater. Chem. · 1994 · 4 · 97710.1039/jm9940400977 ↗
62. Gràcia-Condal · Phys. Rev. Mater. · 2018 · 2 · 08441310.1103/PhysRevMaterials.2.084413 ↗
63. Ahadi · Acta Mater. · 2019 · 165 · 10910.1016/j.actamat.2018.11.035 ↗
64. Xiao · Scr. Mater. · 2016 · 124 · 13310.1016/j.scriptamat.2016.07.016 ↗
65. Geng · Adv. Mater. · 2015 · 27 · 316510.1002/adma.201501100 ↗
66. Krenke · Nat. Mater. · 2005 · 4 · 45010.1038/nmat1395 ↗
67. Mañosa · Nat. Commun. · 2011 · 2 · 59510.1038/ncomms1606 ↗
68. Varshney · ACS Nano · 2010 · 4 · 115310.1021/nn901341r ↗
69. Boldrin · Appl. Phys. Lett. · 2021 · 118 · 17050210.1063/5.0046416 ↗
70. Xiao · Acta Mater. · 2015 · 96 · 29210.1016/j.actamat.2015.05.054 ↗
71. Ossmer · Shap. Mem. Superelasticity · 2015 · 1 · 14210.1007/s40830-015-0014-3 ↗
72. Ossmer · Acta Mater. · 2014 · 81 · 910.1016/j.actamat.2014.08.006 ↗
73. Pataky · Acta Mater. · 2015 · 96 · 42010.1016/j.actamat.2015.06.011 ↗
74. Rodriguez · Metall. Trans. A · 1980 · 11 · 14710.1007/BF02700450 ↗
75. Bonnot · Phys. Rev. Lett. · 2008 · 100 · 12590110.1103/PhysRevLett.100.125901 ↗
76. Chluba · Shap. Mem. Superelasticity · 2016 · 2 · 9510.1007/s40830-016-0054-3 ↗
77. Cong · Phys. Rev. Lett. · 2019 · 122 · 25570310.1103/PhysRevLett.122.255703 ↗
78. Cui · Appl. Phys. Lett. · 2012 · 101 · 07390410.1063/1.4746257 ↗
79. Castillo-Villa · J. Appl. Phys. · 2013 · 113 · 05350610.1063/1.4790140 ↗
80. Huang · Scr. Mater. · 2015 · 105 · 4210.1016/j.scriptamat.2015.04.024 ↗
81. Vives · Appl. Phys. Lett. · 2011 · 98 · 01190210.1063/1.3533403 ↗
82. Annaorazov · J. Appl. Phys. · 1996 · 79 · 168910.1063/1.360955 ↗
83. Lloveras · Nat. Commun. · 2019 · 10 · 180310.1038/s41467-019-09730-9 ↗
84. Aznar · Appl. Mater. Today · 2021 · 23 · 10102310.1016/j.apmt.2021.101023 ↗
85. Bermúdez-García · Nat. Commun. · 2017 · 8 · 1571510.1038/ncomms15715 ↗
86. Carvalho · Eur. Polym. J. · 2018 · 99 · 21210.1016/j.eurpolymj.2017.12.007 ↗
87. Flerov · Crystallogr. Rep. · 2011 · 56 · 910.1134/S106377451101010X ↗
88. Fokina · Phys. Solid State · 2008 · 50 · 217510.1134/S1063783408110280 ↗
89. Gorev · Ferroelectrics · 2010 · 397 · 7610.1080/00150193.2010.484722 ↗
90. Imamura · Chin. J. Polym. Sci. · 2020 · 38 · 99910.1007/s10118-020-2423-9 ↗
91. Li · Adv. Funct. Mater. · 2021 · 31 · 210515410.1002/adfm.202105154 ↗
92. Li · J. Mater. Chem. A · 2020 · 8 · 2035410.1039/D0TA05399F ↗
93. Mañosa · Nat. Mater. · 2010 · 9 · 47810.1038/nmat2731 ↗
94. Matsunami · Nat. Mater. · 2015 · 14 · 7310.1038/nmat4117 ↗
95. Patel · Appl. Phys. Lett. · 2016 · 108 · 07290310.1063/1.4942000 ↗
96. Samanta · Appl. Phys. Lett. · 2018 · 112 · 02190710.1063/1.5011743 ↗
97. Aznar · J. Mater. Chem. A · 2020 · 8 · 63910.1039/C9TA10947A ↗