Учёные из США увеличили теплопроводность керамики на 300% с помощью электрического поля

Исследовательская группа из Национальной лаборатории Ок-Ридж при участии специалистов Университета штата Огайо и корпорации Amphenol разработала метод управления тепловыми потоками в твёрдых материалах с помощью внешнего электрического поля. Эксперименты проводились на базе источника нейтронов Spallation Neutron Source с применением методов нейтронного рассеяния.

В ходе исследования учёные установили, что воздействие электрического поля на релаксорные сегнетоэлектрические керамики изменяет динамику фононов — квазичастиц, переносящих тепловую энергию в кристаллической решётке. При приложении поля фононы, движущиеся вдоль его направления, демонстрируют увеличенное время жизни и большую длину свободного пробега по сравнению с колебаниями в других направлениях. Это позволяет повысить эффективность теплопереноса вдоль вектора поля практически в три раза.

Ранее аналогичные исследования демонстрировали прирост теплопроводности на уровне 5-10%, тогда как предложенный подход обеспечивает улучшение порядка 300%. Сопоставление данных нейтронного рассеяния с измерениями теплопроводности позволило напрямую связать наблюдаемый эффект с увеличением времени жизни фононов в кристаллической структуре.

Согласно выводам авторов исследования, опубликованным в журнале PRX Energy, электрическое поле подавляет нанофазные антиферроэлектрические флуктуации вдоль направления поляризации, что снижает рассеяние тепловых фононов и создаёт условия для более эффективного переноса энергии. Полученные результаты указывают на перспективность использования электрически модифицированных наноструктур в функциональных материалах с неупорядоченной структурой для создания твердотельных систем управления тепловыми потоками.

Практическое применение метода может затронуть разработку электронных систем охлаждения без движущихся частей, термоэлектрических преобразователей, интегральных схем и когенерационных установок для утилизации промышленного тепла. Возможность направленного регулирования скорости и траектории теплопереноса открывает новые пути повышения энергоэффективности высокотехнологичных устройств.

Источник: interestingengineering