Вчені зробили важливий прорив у контролі теплопередачі в матеріалах. Дослідницька команда з Oak Ridge National Laboratory (ORNL), разом із фахівцями з The Ohio State University та компанії Amphenol Corporation, виявила, що електричне поле може значно підвищувати ефективність руху тепла в твердих тілах.
У своїх експериментах на спеціальному керамічному матеріалі вчені показали, що електричне поле впливає на поведінку фононів — дрібних коливань атомів, які переносять тепло через кристалічну решітку. Коли поле застосовується, фонони, що рухаються в напрямку електричного поля, живуть довше і проходять більші відстані, ніж ті, що рухаються в інших напрямках. Це дозволяє теплу поширюватися майже втричі ефективніше уздовж напрямку поля.
«Можливість контролювати швидкість і напрямок руху тепла відкриває шлях до створення пристроїв, які більш ефективно керують тепловою енергією», — пояснює Пуспа Упреті, науковий співробітник ORNL.
Регулювання теплопередачі є критично важливим для сучасних систем: безшумних охолоджувачів електроніки, енергетичних конверторів, мікрочіпів, а також когенераційних систем, які використовують промислове тепло повторно. Підвищена ефективність теплового потоку дозволяє оптимізувати продуктивність і зменшити втрати енергії.
Раніше подібні матеріали забезпечували лише незначне підвищення теплопровідності — близько 5–10%. Новий метод дозволив досягти ефекту майже 300%, що стало можливим завдяки поєднанню даних нейтронного розсіювання та вимірювань теплопровідності. Дослідники безпосередньо пов’язали покращення теплопередачі з довшим життєвим циклом фононів у кристалічній решітці.
Експерименти проводилися на джерелі спалювання нейтронів ORNL, де вчені спостерігали за атомною структурою та рухом атомів усередині матеріалу. Нейтрони дозволили точно виміряти, як змінюються коливання атомів під впливом електричного поля.
Об’єктом дослідження став «розумний» керамічний матеріал на основі релаксора, у якому електричне поле вирівнює маленькі електричні заряди в кристалічній структурі. Це зменшує розсіювання теплових коливань і дозволяє енергії рухатися більш плавно, значно підвищуючи теплопровідність.
Результати, опубліковані в журналі PRX Energy, показують, що електричне поле істотно змінює транспорт фононів у широкому температурному діапазоні. Вчені також зафіксували пригнічення наномасштабних антифероелектричних флуктуацій уздовж напрямку поля, що збільшує тривалість життя фононів.
Це відкриття відкриває перспективу створення реалістичних твердотільних пристроїв для «керування теплом» за допомогою електричного поля, що може знайти застосування у високотехнологічній електроніці, енергетичних системах та промисловості.