Електричне поле регулює перенесення тепла в твердих тілах

Впливаючи на те, як фонони рухаються через кристалічну решітку, електричне поле може почати формувати як швидкість, так і напрямок переносу тепла.

Дослідники з національної лабораторії Ок-Рідж, працюючи з вченими з Університету штату Огайо та корпорації Amphenol, продемонстрували метод контролю теплового потоку в твердих матеріалах за допомогою електричного поля.Отримані дані показують, що певна інтелектуальна кераміка може змінювати те, як вібрації, що несуть тепло, переміщуються через кристал, забезпечуючи електрично регульований теплопередачі.

Здатність регулювати потік тепла всередині матеріалу може мати практичні наслідки для технологій, де управління теплом є критичним.Електрично контрольована теплопровідність може сприяти покращенню охолодження в електронних системах, більш ефективному перетворенню енергії твердого тіла та кращому терморегулюванню в пристроях із масштабуванням мікросхем.Керування напрямком транспортування тепла також може бути корисним для застосувань, де надлишок тепла обмежує продуктивність системи.

Підхід працює, змінюючи те, як атомні коливання рухаються через кристалічну решітку.Коли прикладено електричне поле, внутрішні заряди всередині кераміки вирівнюються вздовж напрямку поля.Таке вирівнювання зменшує розсіювання фононів, мікроскопічних коливань, відповідальних за перенесення тепла через тверді тіла.З меншою кількістю зривів на своєму шляху вібрації можуть поширюватися далі, перш ніж розсіювати енергію, що призводить до довшого життя фононів і швидшого переносу тепла.

Ефект спостерігається в класі матеріалів, відомих як сегнетоелектрична кераміка на основі релаксора.Під впливом електричного поля їхні внутрішні диполі вирівнюються в процесі, відомому як полярізація.Вимірювання показують, що фонони, що рухаються вздовж напрямку поля, зберігаються довше, ніж фонони, що рухаються перпендикулярно до нього, збільшуючи теплопровідність уздовж напрямку поля майже втричі, ніж у кристалі.Поведінку досліджували за допомогою експериментів, проведених на Spallation Neutron Source з використанням непружного розсіювання нейтронів для спостереження атомної структури та динамічного руху всередині матеріалу.

Пуспа Упреті, науковий співробітник Оук-Ріджської національної лабораторії, каже, що ця робота вказує на нові можливості для управління тепловою енергією в передових матеріалах.«Можливість контролювати як швидкість, так і спосіб потоків тепла може призвести до пристроїв, які керують теплою енергією набагато ефективніше».