اكتشف باحثون في مختبر أوك ريدج الوطني التابع لوزارة الطاقة (ORNL)، بالتعاون مع جامعة ولاية أوهايو وشركة أمفينول، أن تطبيق مجال كهربائي على مادة سيراميكية يمكن أن يجعل الحرارة تتدفق بكفاءة أكبر بثلاث مرات تقريبًا في اتجاه واحد. النتائج، المنشورة في PRX Energy، تتحدى كل ما كنا نعرفه عن نقل الحرارة - أو على الأقل، تتحدى بعض الافتراضات القديمة.

السر يكمن في الفونونات، تلك الاهتزازات الذرية الصغيرة التي تحمل الحرارة مثل مترو أنفاق مزدحم جدًا وصغير جدًا. عند تطبيق مجال كهربائي، تعيش الفونونات التي تهتز في نفس اتجاه المجال لفترة أطول وتنتقل لمسافة أبعد، بينما تلك التي تهتز جانبيًا تستسلم نوعًا ما. النتيجة؟ تندفع الحرارة على طول اتجاه المجال أسرع بثلاث مرات تقريبًا من أي مكان آخر.

وقالت بوسبا أوبريتي، باحثة ما بعد الدكتوراه في ORNL، بنبرة توحي بأنها تحلم بالفعل بأنظمة تبريد أفضل: "القدرة على التحكم في سرعة وطريقة تدفق الحرارة يمكن أن تؤدي إلى أجهزة تدير الطاقة الحرارية بكفاءة أكبر بكثير."

استخدم الفريق فئة من السيراميك تسمى الكهروضغطية الانكسارية، والتي هي أساسًا الأطفال الرائعون في عالم المواد - عند تعرضها لمجال كهربائي، تصطف شحناتها الكهربائية الصغيرة وتتوقف عن تشتيت الفونونات. لرؤية ما يحدث بالفعل، استخدموا تشتت النيوترونات غير المرن المتقدم في مصدر النيوترونات التشظي، لأنه عندما تريد مشاهدة الذرات تهتز، عليك إحضار المدافع النيوترونية الكبيرة.

وقال مايكل مانلي، الباحث الكبير في ORNL الذي قاد التجارب: "العمل السابق على المواد الكهروضغطية السائبة حقق تحسينات متواضعة في التوصيل الحراري بنسبة 5% إلى 10%، بينما تكشف القياسات الجديدة عن تحسن يقترب من 300%." هذه زيادة ثلاثة أضعاف، فاجأت حتى الباحثين، الذين كانوا يتوقعون على ما يبدو شيئًا أشبه بدفعة مهذبة.

كان البروفيسور الراحل جوزيف هيرمانز من ولاية أوهايو، الذي صمم تجارب التوصيل الحراري، سيفخر بذلك. لاحظت مرشحة الدكتوراه ديلارام رشادفار: "كان البروفيسور هيرمانز يؤكد دائمًا على أهمية الثقة في البيانات أولاً وترك النظرية تتبع." نصيحة حكيمة، خاصة عندما تقول البيانات: "مرحبًا، لقد ضاعفنا تدفق الحرارة ثلاث مرات."

يمكن أن يؤدي هذا الاختراق إلى أنظمة تبريد الحالة الصلبة، ومحولات الحرارة إلى الكهرباء، وإلكترونيات أفضل قائمة على الرقائق - في الأساس أي شيء يسخن كثيرًا ويحتاج إلى الهدوء. تم دعم البحث من قبل برنامج علوم الطاقة الأساسية التابع لوزارة الطاقة، لأنه حتى الحكومة تريد أن تتوقف إلكترونياتها عن السخونة الزائدة.