Прорыв в материаловедении: электрическое поле увеличивает теплопроводность керамики на 300%

Исследовательская группа Национальной лаборатории Ок-Ридж при участии специалистов Университета штата Огайо и корпорации Amphenol разработала метод управления тепловым потоком в твердых материалах с помощью внешнего электрического поля. Эксперименты проводились на расщепленном источнике нейтронов с использованием методов рассеяния нейтронов.

В ходе исследования ученые обнаружили, что приложение электрического поля к релаксорной сегнетоэлектрической керамике меняет динамику фононов – квазичастицы, передающие тепловую энергию в кристаллической решетке. При приложении электрического поля фононы, движущиеся в его направлении, демонстрируют увеличенное время жизни и большую длину свободного пробега по сравнению с колебаниями в других направлениях. Это повышает эффективность теплопередачи вдоль вектора поля почти в три раза.

Предыдущие аналогичные исследования показали улучшение теплоотдачи на 5-10%, тогда как предложенный подход обеспечивает улучшение порядка 300%. Сопоставление данных рассеяния нейтронов с измерениями теплопроводности позволило напрямую связать наблюдаемый эффект с увеличением времени жизни фононов в кристаллической структуре.

По мнению авторов исследования, опубликованного в журнале PRX Energy, электрическое поле подавляет нанофазные антисегнетоэлектрические колебания в направлении поляризации, что уменьшает рассеяние тепловых фононов и создает условия для более эффективной передачи энергии. Полученные результаты показывают перспективность использования электрически модифицированных наноструктур в функциональных материалах с неорганизованной структурой для создания твердотельных систем управления тепловым потоком.

Практическое применение Применение метода может повлиять на разработку электронных систем охлаждения без движущихся частей, термоэлектрических преобразователей, интегральных схем и когенерационных установок для промышленной рекуперации тепла. Возможность контролировать скорость и траекторию теплопередачи открывает новые пути повышения энергоэффективности высокотехнологичных устройств.