Elektrisch veld stemt het warmtetransport in vaste stoffen af

Door te beïnvloeden hoe fononen door een kristalrooster reizen, kan een elektrisch veld zowel de snelheid als de richting van het warmtetransport gaan bepalen.

Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory hebben in samenwerking met wetenschappers van de Ohio State University en Amfenol Corporation een methode gedemonstreerd om de warmtestroom in vaste materialen te controleren met behulp van een elektrisch veld.De bevindingen tonen aan dat bepaalde slimme keramiek de manier kan veranderen waarop warmtedragende trillingen door een kristal bewegen, waardoor elektrisch afstembaar thermisch transport mogelijk wordt.

Het vermogen om de warmtestroom in een materiaal te reguleren zou praktische implicaties kunnen hebben voor technologieën waarbij thermisch beheer van cruciaal belang is.Elektrisch geregelde warmtegeleiding kan een verbeterde koeling in elektronische systemen, een efficiëntere energieconversie in vaste toestand en een betere thermische regeling in apparaten op chipschaal ondersteunen.Directionele controle van warmtetransport kan ook voordelen opleveren voor toepassingen waarbij overtollige warmte de systeemprestaties beperkt.

De aanpak werkt door de manier te wijzigen waarop atomaire trillingen door het kristalrooster bewegen.Wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd, worden de interne ladingen in het keramiek uitgelijnd in de richting van het veld.Deze uitlijning vermindert de verstrooiing van fononen, de microscopische trillingen die verantwoordelijk zijn voor het transporteren van warmte door vaste stoffen.Met minder verstoringen op hun pad kunnen de trillingen verder reizen voordat ze energie dissiperen, wat resulteert in een langere levensduur van de fononen en een sneller warmtetransport.

Het effect wordt waargenomen in een klasse materialen die bekend staat als op relaxor gebaseerde ferro-elektrische keramiek.Wanneer ze worden blootgesteld aan een elektrisch veld, worden hun interne dipolen uitgelijnd in een proces dat bekend staat als polen.Uit metingen blijkt dat fononen die in de veldrichting bewegen langer blijven bestaan ​​dan fononen die er loodrecht op bewegen, waardoor de thermische geleidbaarheid in de veldrichting bijna drie keer zo hoog wordt als die over het kristal wordt waargenomen.Het gedrag werd onderzocht door middel van experimenten uitgevoerd bij de Spallation Neutron Source met behulp van inelastische neutronenverstrooiing om zowel de atomaire structuur als de dynamische beweging in het materiaal waar te nemen.

Puspa Upreti, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij het Oak Ridge National Laboratory, zegt dat het werk wijst op nieuwe mogelijkheden voor het beheer van thermische energie in geavanceerde materialen.“In staat zijn om te bepalen hoe snel en op welke manier warmtestromen kunnen stromen, zou kunnen leiden tot apparaten die thermische energie veel efficiënter beheren.”