میدان الکتریکی انتقال حرارت در جامدات را تنظیم می کند

با تأثیرگذاری بر نحوه حرکت فونون ها در یک شبکه کریستالی، یک میدان الکتریکی می تواند سرعت و جهت انتقال گرما را شکل دهد.

محققان آزمایشگاه ملی اوک ریج با همکاری دانشمندان دانشگاه ایالتی اوهایو و شرکت آمفنول، روشی را برای کنترل جریان گرما در مواد جامد با استفاده از میدان الکتریکی نشان داده‌اند.یافته‌ها نشان می‌دهد که برخی از سرامیک‌های هوشمند می‌توانند نحوه حرکت ارتعاشات حامل گرما را از طریق کریستال تغییر دهند و انتقال حرارتی قابل تنظیم الکتریکی را امکان‌پذیر کنند.

توانایی تنظیم جریان گرما در داخل یک ماده می‌تواند پیامدهای عملی برای فناوری‌هایی داشته باشد که مدیریت حرارتی در آنها حیاتی است.هدایت حرارتی کنترل‌شده الکتریکی ممکن است از خنک‌سازی بهتر در سیستم‌های الکترونیکی، تبدیل انرژی جامد کارآمدتر و تنظیم حرارتی بهتر در دستگاه‌های مقیاس تراشه پشتیبانی کند.کنترل جهت انتقال گرما همچنین می تواند برای کاربردهایی مفید باشد که حرارت اضافی عملکرد سیستم را محدود می کند.

این رویکرد با تغییر نحوه حرکت ارتعاشات اتمی از طریق شبکه کریستالی کار می کند.هنگامی که یک میدان الکتریکی اعمال می شود، بارهای داخلی در سرامیک در امتداد جهت میدان تراز می شوند.این تراز، پراکندگی فونون ها، ارتعاشات میکروسکوپی مسئول انتقال گرما از طریق جامدات را کاهش می دهد.با اختلالات کمتر در مسیر خود، ارتعاشات می توانند قبل از اتلاف انرژی دورتر حرکت کنند و در نتیجه طول عمر فونون بیشتر و انتقال گرما سریعتر شود.

این اثر در دسته ای از مواد به نام سرامیک های فروالکتریک مبتنی بر شل کننده مشاهده می شود.هنگامی که در معرض میدان الکتریکی قرار می‌گیرند، دوقطبی‌های داخلی آن‌ها در فرآیندی به نام قطبی همسو می‌شوند.اندازه‌گیری‌ها نشان می‌دهد که فونون‌هایی که در امتداد جهت میدان حرکت می‌کنند، بیشتر از فونون‌هایی که عمود بر آن حرکت می‌کنند، باقی می‌مانند و رسانایی گرمایی در امتداد جهت میدان را به تقریباً سه برابر افزایش می‌دهند که در سراسر کریستال مشاهده می‌شود.این رفتار از طریق آزمایش‌هایی که در منبع نوترون Spallation با استفاده از پراکندگی نوترون غیرالاستیک انجام شد برای مشاهده ساختار اتمی و حرکت دینامیکی درون ماده مورد بررسی قرار گرفت.

Puspa Upreti، یکی از همکاران پژوهشی فوق دکتری در آزمایشگاه ملی Oak Ridge، می گوید که این کار به سمت امکانات جدیدی برای مدیریت انرژی حرارتی در مواد پیشرفته اشاره دارد."توانایی کنترل سرعت و نحوه جریان گرما می تواند به دستگاه هایی منجر شود که انرژی حرارتی را بسیار کارآمدتر مدیریت کنند."