Електрическото поле настройва преноса на топлина в твърди вещества

Чрез влияние върху начина, по който фононите се движат през кристална решетка, електрическото поле може да започне да оформя скоростта и посоката на топлинния транспорт.

Изследователи от Националната лаборатория Оук Ридж, работещи с учени от Държавния университет в Охайо и Amphenol Corporation, демонстрираха метод за контролиране на топлинния поток в твърди материали с помощта на електрическо поле.Констатациите показват, че определени интелигентни керамики могат да променят начина, по който пренасящите топлина вибрации се движат през кристал, позволявайки електрически регулируем топлинен транспорт.

Способността да се регулира топлинният поток вътре в даден материал може да има практически последици за технологиите, при които управлението на топлината е критично.Електрически контролираната топлопроводимост може да поддържа подобрено охлаждане в електронните системи, по-ефективно преобразуване на енергията в твърдо състояние и по-добро термично регулиране в устройствата с мащаб на чипове.Контролът на посоката на транспортиране на топлина също може да бъде от полза за приложения, при които излишната топлина ограничава производителността на системата.

Подходът работи, като променя начина, по който атомните вибрации се движат през кристалната решетка.Когато се приложи електрическо поле, вътрешните заряди в керамиката се подравняват по посока на полето.Това подравняване намалява разсейването на фононите, микроскопичните вибрации, отговорни за пренасянето на топлина през твърди тела.С по-малко смущения по пътя си, вибрациите могат да пътуват по-далеч, преди да разсеят енергия, което води до по-дълъг живот на фононите и по-бърз пренос на топлина.

Ефектът се наблюдава в клас материали, известни като фероелектрична керамика на основата на релаксатор.Когато са подложени на електрическо поле, техните вътрешни диполи се подравняват в процес, известен като полюс.Измерванията показват, че фононите, движещи се по посока на полето, продължават да съществуват по-дълго от тези, които се движат перпендикулярно на него, увеличавайки топлопроводимостта по посока на полето до почти три пъти от наблюдаваната в кристала.Поведението беше изследвано чрез експерименти, проведени в Spallation Neutron Source, използвайки нееластично разсейване на неутрони, за да се наблюдава както атомната структура, така и динамичното движение в материала.

Пуспа Упрети, постдокторантски научен сътрудник в Националната лаборатория Оук Ридж, казва, че работата сочи към нови възможности за управление на топлинната енергия в модерни материали.„Да можеш да контролираш колко бързо и по какъв начин топлинните потоци могат да доведат до устройства, които управляват топлинната енергия много по-ефективно.“