Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Ридж (Oak Ridge National Laboratory) обнаружили новый способ управлять движением тепла внутри материалов. Метод основан на использовании электрического поля, которое позволяет изменять поведение атомных колебаний, отвечающих за перенос тепловой энергии.
В работе также участвовали специалисты из Университета штата Огайо (The Ohio State University) и компании Amphenol Corporation. По словам учёных, новый подход может значительно повысить эффективность охлаждения электроники и систем преобразования энергии.
Как распространяется тепло в твёрдых телах
В твёрдых материалах тепло переносится не только за счёт движения электронов, но и благодаря фононам — микроскопическим колебаниям атомов в кристаллической решётке.
Именно эти колебания действуют как своеобразные «носители тепла», передавая энергию от одного участка материала к другому.
Учёные обнаружили, что электрическое поле может менять поведение фононов.
Когда поле направлено через специальный керамический материал, фононы, движущиеся вдоль его направления:
- существуют дольше,
- распространяются дальше,
- сталкиваются реже.
В результате тепловая энергия проходит через материал почти в три раза эффективнее в направлении электрического поля.
Резкий рост теплопроводности
Ранее исследователям уже удавалось слегка повышать теплопроводность подобных материалов. Однако эффект был сравнительно небольшим — примерно 5–10%.
Новый метод позволил увеличить эффективность передачи тепла почти на 300%.
По словам исследователей, это открывает путь к более точному управлению тепловой энергией в современных технологиях: «Возможность контролировать скорость и направление распространения тепла может привести к созданию устройств, которые значительно эффективнее управляют тепловой энергией»
Где это может пригодиться
Контроль теплопередачи играет ключевую роль во многих высокотехнологичных системах:
- электронные охлаждающие устройства без движущихся частей;
- термоэлектрические генераторы, преобразующие тепло в электричество;
- микросхемы и процессоры;
- когенерационные установки, повторно использующие промышленное тепло.
Во всех этих случаях точное управление теплом помогает поддерживать оптимальные условия работы и повышать эффективность оборудования.
Как проходил эксперимент
Исследование проводилось на установке Spallation Neutron Source в лаборатории ORNL — одном из самых мощных в мире источников нейтронов для научных экспериментов.
С помощью нейтронного рассеяния учёные смогли наблюдать:
- структуру кристаллической решётки материала,
- движение атомов,
- изменения в колебаниях при воздействии электрического поля.
Нейтроны позволили очень точно зафиксировать, как именно изменяется динамика атомных вибраций.
«Умная» керамика
Эксперимент проводился с особым типом материала — релаксорным сегнетоэлектриком.
В таких керамиках электрическое поле может выстраивать микроскопические электрические заряды внутри кристалла. Это уменьшает рассеяние фононов и позволяет теплу двигаться по материалу более свободно.
Учёные также обнаружили, что поле подавляет наномасштабные антиферроэлектрические флуктуации, которые обычно мешают распространению тепловых колебаний. Благодаря этому увеличивается «время жизни» фононов и повышается теплопроводность.
