Научници су открили да примена електричног поља на одређене врсте керамике може значајно да преусмери начин на који се топлота креће кроз материјал.
Ново истраживање које је спровела лабораторија Oak Ridge National Laboratory Министарства енергетике САД, у сарадњи са истраживачима са Ohio State University и компанијом Amphenol Corporation, доводи у питање дуго прихваћене представе о томе како се топлота може усмеравати кроз чврсте материјале.
Резултати истраживања, објављени у научном часопису PRX Energy, показују да електрично поље може значајно да промени начин на који се фонони — ситне вибрације које преносе топлоту — крећу унутар керамике.
Када атоми вибрирају у истом смеру као и примењено електрично поље (такозвани правац поларизације), фонони остају активни дуже него вибрације које се крећу попречно у односу на поље.
Због те разлике, топлота се кроз материјал креће готово три пута ефикасније у правцу електричног поља него у другим правцима. Истраживачи истичу да би ова стратегија могла да отвори пут новим технологијама чврстог стања које омогућавају усмеравање топлоте у практичним уређајима.
„Могућност да контролишемо и брзину и начин на који топлота тече могла би да доведе до уређаја који много ефикасније управљају топлотном енергијом“, изјавила је Пуспа Упрети, постдокторски истраживач у лабораторији ORNL.
Зашто је контрола кретања топлоте важна?
Контрола кретања топлоте од кључне је важности за бројне напредне технологије. Међу њима су системи за хлађење електронике који раде без покретних делова, уређаји који претварају топлоту у електричну енергију, чипови и интегрисана кола у модерној електроници, као и когенерациони системи који прикупљају индустријску топлоту и поново је користе.
Одржавање правилног тока топлоте омогућава овим системима да раде са највећом могућом ефикасношћу и перформансама.
Однос између протока топлоте и ефикасности може се објаснити кроз Carnot cycle — теоријски модел топлотне машине који дефинише максималну могућу ефикасност када се топлота контролисано креће између топлог и хладног резервоара.
У овом истраживању електрично поље смањује препреке које иначе ремете кретање фонона. Са мање „судара“, вибрације могу да путују даље кроз материјал, слично као што се саобраћај брже одвија када нема гужви. Ово побољшано кретање фонона повећава проводљивост топлоте у правцу електричног поља и подиже укупну ефикасност.
Неутронски експерименти откривају кретање атома
Експерименти су спроведени у центру Spallation Neutron Source, научном корисничком објекту Министарства енергетике САД који се налази у лабораторији Oak Ridge.
Научници су користили напредну технику нееластичног расејања неутрона како би истовремено посматрали распоред атома у материјалу (структуру) и њихово кретање (динамику). Неутрони омогућавају истраживачима да утврде где се атоми налазе и како се крећу унутар кристалне решетке. Ова метода надовезује се на Нобеловом наградом награђен рад научника Клифорда Шула и Бертрама Брокхауса.
Подаци прикупљени у овом истраживачком центру пружили су детаљан увид у то како електрично поље утиче на фононе. Резултати показују да поље не само да повећава брзину ових вибрација већ и продужава њихов „животни век“. Оба ефекта су кључна за ефикаснији пренос топлоте.
Специјална керамика која реагује на електрично поље
Истраживачки тим се фокусирао на посебну врсту керамике познату као релаксорски фероелектрични материјали. Када се изложе електричном пољу, ситни електрични набоји унутар ових материјала се усклађују у истом правцу.
Ово усклађивање смањује расејање које иначе омета вибрације које преносе топлоту, омогућавајући енергији да се ефикасније креће кроз кристал.
Кристали коришћени у истраживању пажљиво су узгојени, а затим изложени електричном пољу у процесу који се назива „полинг“. Тај поступак је спровео Рафи Сахул из компаније Amphenol, што је омогућило прецизну контролу кретања енергије кроз чврсти материјал.
Експерименте са нееластичним расејањем неутрона осмислио је и водио старији истраживач ORNL-а Мајкл Менли, у сарадњи са научником Рафаелом Херманом.
„Ранија истраживања фероелектричних материјала показивала су умерено повећање топлотне проводљивости од око 5 до 10 процената, док нова мерења показују повећање близу 300 процената — углавном зато што фонони могу да путују много дуже пре него што се зауставе“, рекао је Менли.
Повезивање протока топлоте и атомских вибрација
Комбинујући мерења топлотне проводљивости са резултатима неутронског расејања, научници су успели да директно повежу промене у преносу топлоте са понашањем атомских вибрација унутар кристала.
Покојни професор Џозеф Хереманс са Универзитета Охајо Стејт осмислио је експерименте за мерење топлотне проводљивости и био ментор докторској кандидаткињи Делерам Рашадфар током анализе резултата.
„Иако су ранија истраживања наговештавала да ће ефекат бити релативно скроман, испоставило се да је трострука разлика у преносу топлоте заиста значајан резултат“, рекла је Рашадфар. „Професор Хереманс је увек наглашавао колико је важно најпре веровати подацима, а тек потом тражити теоријско објашњење.“
