這種電場技巧使熱流增加了近 300%

發表於 PRX能源根據研究，對特殊陶瓷施加電場會改變聲子的行為，聲子是負責傳遞熱量的微小原子振動。當原子沿著與電場相同的方向（極化方向）振動時，這些聲子的持續時間比穿過它們的振動要長得多。因此，熱在電場方向上的傳播效率幾乎是其他方向的三倍。

橡樹嶺國家實驗室博士後研究員 Puspa Upreti 表示：“能夠控制熱流的速度和方式可以讓設備更有效地管理熱能。”

為什麼熱量控制很重要？

有效引導熱量的能力對於許多先進技術至關重要。其中包括沒有移動部件的固態電子冷卻系統、將熱能轉化為電能的設備、基於晶片的電子產品以及捕獲和再利用工業過程中的廢熱的熱電聯產系統。

更好地控制傳熱可以提高性能和能源效率。卡諾循環說明了這個概念，這是一個理想化模型，透過仔細調節熱區和冷區之間的熱量運動來定義熱機的最大理論效率。

在新的研究中，電場減少了通常阻礙聲子運動的障礙。這使得載熱振動能夠在材料中傳播得更遠，就像緩解繁忙高速公路的擁塞一樣，從而在電場方向上產生更有效的熱傳導。

中子實驗揭示原子運動

為了準確了解材料內部發生的情況，研究小組在散裂中子源（由橡樹嶺國家實驗室運營的美國能源部科學辦公室用戶設施）進行了實驗。

研究人員利用先進的非彈性中子散射技術觀察了晶體內原子的位置以及這些原子如何移動。中子非常適合這種類型的分析，因為它們可以根據諾貝爾獎得主克利福德·舒爾和伯特倫·布羅克豪斯的著作認可的方法揭示材料的結構及其原子動力學。

測量結果表明，施加電場不僅提高了聲子的速度，而且還顯著增加了它們在散射前的存活時間。更長的使用壽命是該材料成為更好的熱導體的關鍵原因。

具有顯著傳熱性能的陶瓷

研究人員專注於一類稱為弛豫鐵電體的陶瓷。當暴露在電場中時，這些材料內的小電荷會對齊。這種排列減少了載熱聲子的散射，使熱能更有效地穿過玻璃。

實驗中使用的晶體由安費諾公司的 Raffi Sahul 精心培養，然後暴露在電場中。所獲得的材料表現出非常可控的熱傳輸。

ORNL 資深研究科學家 Michael Manley 與 ORNL 高級研發研究員 Raphaël Hermann 一起領導了非彈性中子散射實驗。

曼利說：“對塊狀鐵電材料的研究使熱導率提高了 5% 到 10%，新的測量結果顯示提高了近 300%，這主要是因為聲子在停止之前能夠傳播得更遠。”

三重調查員震驚

透過將熱導率測量與中子散射數據相結合，該團隊能夠將熱流的急劇增加與晶體內原子振動的變化直接聯繫起來。

已故俄亥俄州立大學教授 Joseph Heremans 設計了熱導率實驗，並帶領博士生 Delaram Rashadfar 進行了分析。

拉沙德法爾說：“雖然之前的工作讓我們預計效果不大，但觀察到三倍的差異是一個顯著的結果。” “赫爾曼斯教授總是強調信任原始數據並讓理論遵循的重要性。”

該研究得到了美國能源部基礎能源科學計畫以及其他支持合作夥伴的支持。