Ученые научились управлять тепловым потоком в керамике с помощью электрического поля

Желтые волны показывают распространяющиеся атомные колебания, наблюдаемые на источнике нейтронов ORNL. В умной переключаемой керамике электрическое поле выравнивает заряды, благодаря чему колебания вдоль белых линий поля распространяются дальше с меньшими помехами, увеличивая тепловой поток почти в три раза. Источник: Phoenix Pleasant/ORNL, U.S. Dept. of Energy

Исследователи из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США (ORNL) совместно с Университетом штата Огайо и компанией Amphenol Corporation обнаружили новый способ управления теплопередачей в твердых материалах. Результаты, опубликованные в журнале PRX Energy, бросают вызов устоявшимся представлениям о транспорте тепла и могут привести к созданию более эффективных систем охлаждения, энергетических устройств и электронных технологий.

Исследование показало, что приложение электрического поля к специализированной керамике изменяет поведение фононов — крошечных атомных колебаний, ответственных за перенос тепла. Когда атомы вибрируют в том же направлении, что и электрическое поле (направление поляризации), эти фононы сохраняются гораздо дольше, чем колебания, движущиеся поперек него. В результате тепло передается почти в три раза эффективнее вдоль направления электрического поля, чем в других направлениях.

«Возможность контролировать как скорость, так и направление теплового потока может привести к созданию устройств, управляющих тепловой энергией гораздо эффективнее», — отметила Пушпа Упрети, научный сотрудник ORNL.

Чтобы понять происходящее внутри материала, команда провела эксперименты на источнике нейтронов Spallation Neutron Source. Используя методы неупругого рассеяния нейтронов, исследователи наблюдали как положение атомов в кристалле, так и их движение. Измерения показали, что приложение электрического поля не только увеличило скорость фононов, но и значительно продлило время их жизни до рассеяния. Именно это увеличение времени жизни стало ключевой причиной значительного улучшения теплопроводности.

Ученые сосредоточились на классе керамик, известных как релаксорные сегнетоэлектрики. Под воздействием электрического поля крошечные электрические заряды внутри этих материалов выравниваются, что уменьшает рассеяние фононов и позволяет тепловой энергии перемещаться по кристаллу гораздо эффективнее.

«Более ранние работы с объемными сегнетоэлектрическими материалами демонстрировали скромное улучшение теплопроводности на 5-10%, в то время как новые измерения показывают увеличение, близкое к 300% — в основном потому, что фононы могут проходить гораздо большие расстояния до остановки», — объяснил старший научный сотрудник ORNL Майкл Мэнли.

Комбинируя измерения теплопроводности с данными нейтронного рассеяния, команда смогла напрямую связать резкое увеличение теплового потока с изменениями в атомных колебаниях внутри кристалла. Покойный профессор Джозеф Хереманс из Университета штата Огайо разработал эксперименты по теплопроводности и руководил анализом докторанта Деларам Рашадфар.

«Хотя предыдущие работы заставляли нас ожидать лишь скромного эффекта, наблюдение трехкратной разницы оказалось значительным результатом, — сказала Рашадфар. — Профессор Хереманс всегда подчеркивал важность доверия данным в первую очередь, а теория пусть следует за ними».

Исследование было поддержано программой DOE Basic Energy Sciences.