Sähkökenttä virittää lämmön siirtymisen kiinteissä aineissa

Vaikuttamalla siihen, miten fononit kulkevat kidehilan läpi, sähkökenttä voi alkaa muokata sekä lämmönsiirron nopeutta että suuntaa.

Oak Ridge National Laboratoryn tutkijat, jotka työskentelevät yhdessä Ohio State Universityn ja Amphenol Corporationin tutkijoiden kanssa, ovat osoittaneet menetelmän säädellä lämmön virtausta kiinteissä materiaaleissa sähkökentän avulla.Löydökset osoittavat, että tietyt älykkäät keramiikkatuotteet voivat muuttaa lämpöä kuljettavien värähtelyjen liikkumista kiteen läpi, mikä mahdollistaa sähköisesti säädettävän lämpökuljetuksen.

Kyky säädellä materiaalin sisällä olevaa lämpövirtaa voi olla käytännön seurauksia teknologioissa, joissa lämmönhallinta on kriittistä.Sähköisesti ohjattu lämmönjohtavuus voi tukea parempaa jäähdytystä elektronisissa järjestelmissä, tehokkaampaa puolijohdeenergian muuntamista ja parempaa lämmönsäätöä sirumittakaavassa.Lämmönsiirron suuntaohjauksesta voisi olla hyötyä myös sovelluksissa, joissa ylimääräinen lämpö rajoittaa järjestelmän suorituskykyä.

Lähestymistapa toimii muokkaamalla atomivärähtelyjen liikkumista kidehilan läpi.Kun sähkökenttä kohdistetaan, keramiikan sisäiset varaukset kohdistuvat kentän suuntaan.Tämä kohdistus vähentää fononien sirontaa, mikroskooppisia värähtelyjä, jotka vastaavat lämmön kuljettamisesta kiinteiden aineiden läpi.Vähäisempien häiriöiden reitillä värähtelyt voivat kulkea kauemmaksi ennen kuin ne hajottavat energiaa, mikä pidentää fononien käyttöikää ja nopeampaa lämmönsiirtoa.

Vaikutus havaitaan materiaaliluokassa, joka tunnetaan nimellä relaxoripohjainen ferrosähköinen keramiikka.Kun ne altistetaan sähkökenttään, niiden sisäiset dipolit kohdistuvat prosessissa, joka tunnetaan nimellä napaisuus.Mittaukset osoittavat, että kentän suunnassa liikkuvat fononit säilyvät pidempään kuin ne, jotka kulkevat kohtisuorassa sitä vastaan, mikä lisää lämmönjohtavuutta kentän suunnassa lähes kolminkertaiseksi kiteen poikki havaittuun verrattuna.Käyttäytymistä tutkittiin Spallation Neutron Sourcessa tehdyillä kokeilla käyttämällä joustamatonta neutronien sirontaa sekä atomirakenteen että dynaamisen liikkeen havainnoimiseksi materiaalin sisällä.

Oak Ridge National Laboratoryn post doc -tutkija Puspa Upreti sanoo, että työ viittaa uusiin mahdollisuuksiin lämpöenergian hallinnassa kehittyneissä materiaaleissa."Lämpövirran nopeuden ja millä tavalla hallitseminen voi johtaa laitteisiin, jotka hallitsevat lämpöenergiaa paljon tehokkaammin."