Pole elektryczne reguluje transport ciepła w ciałach stałych

Wpływając na sposób przemieszczania się fononów w sieci krystalicznej, pole elektryczne może zacząć kształtować zarówno prędkość, jak i kierunek transportu ciepła.

Naukowcy z Oak Ridge National Laboratory we współpracy z naukowcami z Ohio State University i Amphenol Corporation zademonstrowali metodę kontrolowania przepływu ciepła w materiałach stałych za pomocą pola elektrycznego.Odkrycia pokazują, że niektóre inteligentne wyroby ceramiczne mogą zmieniać sposób przemieszczania się wibracji przenoszących ciepło przez kryształ, umożliwiając elektrycznie dostrajany transport ciepła.

Możliwość regulowania przepływu ciepła wewnątrz materiału może mieć praktyczne implikacje dla technologii, w których zarządzanie temperaturą ma kluczowe znaczenie.Elektrycznie kontrolowane przewodzenie ciepła może wspomagać ulepszone chłodzenie układów elektronicznych, wydajniejszą konwersję energii w stanie stałym i lepszą regulację termiczną w urządzeniach skalujących chipy.Kierunkowa kontrola transportu ciepła może również przynieść korzyści w zastosowaniach, w których nadmiar ciepła ogranicza wydajność systemu.

Podejście to polega na modyfikacji sposobu, w jaki wibracje atomowe przemieszczają się w sieci krystalicznej.Po przyłożeniu pola elektrycznego ładunki wewnętrzne w ceramice ustawiają się wzdłuż kierunku pola.To ustawienie zmniejsza rozpraszanie fononów, mikroskopijnych wibracji odpowiedzialnych za przenoszenie ciepła przez ciała stałe.Przy mniejszej liczbie zakłóceń na swojej drodze wibracje mogą przemieszczać się dalej, zanim rozproszą energię, co skutkuje dłuższym czasem życia fononów i szybszym transportem ciepła.

Efekt ten obserwuje się w klasie materiałów znanych jako ceramika ferroelektryczna na bazie relaksorów.Poddane działaniu pola elektrycznego ich wewnętrzne dipole ustawiają się w procesie zwanym polaryzacją.Pomiary pokazują, że fonony poruszające się wzdłuż kierunku pola utrzymują się dłużej niż te poruszające się prostopadle do niego, zwiększając przewodność cieplną wzdłuż kierunku pola prawie trzykrotnie w porównaniu z obserwowaną w krysztale.Zachowanie zbadano za pomocą eksperymentów przeprowadzonych w źródle neutronów spallacyjnych przy użyciu niesprężystego rozpraszania neutronów w celu obserwacji zarówno struktury atomowej, jak i dynamicznego ruchu w materiale.

Puspa Upreti, pracownik naukowy ze stopniem doktora w Oak Ridge National Laboratory, twierdzi, że prace wskazują na nowe możliwości zarządzania energią cieplną w zaawansowanych materiałach.„Możliwość kontrolowania zarówno szybkości, jak i sposobu przepływu ciepła może prowadzić do powstania urządzeń znacznie wydajniej zarządzających energią cieplną”.