Электрическое поле регулирует перенос тепла в твердых телах

Влияя на то, как фононы проходят через кристаллическую решетку, электрическое поле может начать формировать как скорость, так и направление переноса тепла.

Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Ридж в сотрудничестве с учеными из Университета штата Огайо и корпорации Amphenol продемонстрировали метод управления тепловым потоком в твердых материалах с помощью электрического поля.Результаты показывают, что определенная интеллектуальная керамика может изменять то, как вибрации, переносящие тепло, распространяются через кристалл, обеспечивая электрически настраиваемый перенос тепла.

Возможность регулировать тепловой поток внутри материала может иметь практическое значение для технологий, где управление температурным режимом имеет решающее значение.Электрически контролируемая теплопроводность может обеспечить улучшенное охлаждение в электронных системах, более эффективное преобразование энергии в твердом состоянии и лучшее терморегулирование в устройствах размером с кристалл.Направленное управление переносом тепла также может принести пользу приложениям, где избыточное тепло ограничивает производительность системы.

Этот подход работает путем изменения того, как атомные вибрации движутся через кристаллическую решетку.При приложении электрического поля внутренние заряды внутри керамики выравниваются вдоль направления поля.Такое выравнивание уменьшает рассеяние фононов — микроскопических колебаний, ответственных за перенос тепла через твердые тела.При меньшем количестве нарушений на пути вибрации могут распространяться дальше, прежде чем рассеивать энергию, что приводит к увеличению времени жизни фононов и более быстрому переносу тепла.

Эффект наблюдается в классе материалов, известных как сегнетоэлектрическая керамика на основе релаксора.Под воздействием электрического поля их внутренние диполи выравниваются в процессе, известном как поляризация.Измерения показывают, что фононы, движущиеся вдоль направления поля, сохраняются дольше, чем фононы, движущиеся перпендикулярно ему, увеличивая теплопроводность вдоль направления поля почти в три раза по сравнению с наблюдаемой поперёк кристалла.Поведение было исследовано в ходе экспериментов, проведенных в источнике расщепительных нейтронов с использованием неупругого рассеяния нейтронов для наблюдения как атомной структуры, так и динамического движения внутри материала.

Пуспа Упрети, научный сотрудник Национальной лаборатории Ок-Ридж, говорит, что эта работа указывает на новые возможности управления тепловой энергией в современных материалах.«Возможность контролировать скорость и способ тепловых потоков может привести к созданию устройств, которые будут гораздо более эффективно управлять тепловой энергией».