Des chercheurs du Oak Ridge National Laboratory (ORNL) du Département de l'Énergie, de connivence avec l'Ohio State University et Amphenol Corporation, ont découvert que l'application d'un champ électrique à un matériau céramique peut faire circuler la chaleur près de trois fois plus efficacement dans une direction. Les résultats, publiés dans PRX Energy, remettent en question tout ce que nous pensions savoir sur le transport de la chaleur – ou du moins, ils défient certaines hypothèses de longue date.

Le secret réside dans les phonons, ces minuscules vibrations atomiques qui transportent la chaleur comme un métro très petit et très bondé. Lorsqu'un champ électrique est appliqué, les phonons qui vibrent dans la même direction que le champ vivent plus longtemps et voyagent plus loin, tandis que ceux qui vibrent latéralement abandonnent tout simplement. Résultat ? La chaleur file le long de la direction du champ presque trois fois plus vite qu'ailleurs.

« Pouvoir contrôler à la fois la vitesse et la manière dont la chaleur circule pourrait conduire à des dispositifs qui gèrent l'énergie thermique bien plus efficacement », a déclaré Puspa Upreti, chercheuse postdoctorale à l'ORNL, d'un ton qui suggère qu'elle rêve déjà de meilleurs systèmes de refroidissement.

L'équipe a utilisé une classe de céramiques appelées ferroélectriques à base de relaxeurs, qui sont essentiellement les enfants cool du monde des matériaux – lorsqu'ils sont exposés à un champ électrique, leurs minuscules charges électriques s'alignent et cessent de disperser les phonons. Pour voir ce qui se passait réellement, ils ont déployé la diffusion inélastique avancée de neutrons à la Spallation Neutron Source, car quand on veut regarder les atomes vibrer, on sort les gros canons à neutrons.

« Des travaux antérieurs sur des matériaux ferroélectriques en vrac ont obtenu des améliorations modestes de la conductivité thermique de 5 à 10 %, tandis que les nouvelles mesures révèlent une amélioration proche de 300 % », a déclaré Michael Manley, chercheur principal à l'ORNL, qui a dirigé les expériences. C'est une multiplication par trois, ce qui a surpris même les chercheurs, qui s'attendaient apparemment à quelque chose comme un coup de pouce poli.

Le regretté professeur Joseph Heremans de l'Ohio State, qui a conçu les expériences de conductivité thermique, aurait été fier. Sa doctorante Delaram Rashadfar a noté : « Le professeur Heremans soulignait toujours l'importance de faire confiance aux données d'abord et de laisser la théorie suivre. » Un sage conseil, surtout quand les données disent : « Hé, nous venons de tripler le flux de chaleur. »

Cette percée pourrait conduire à des systèmes de refroidissement à semi-conducteurs, des convertisseurs chaleur-électricité et de meilleurs composants électroniques à base de puces – en gros, tout ce qui chauffe trop et a besoin de se calmer. La recherche a été soutenue par le programme DOE Basic Energy Sciences, car apparemment même le gouvernement veut que ses appareils électroniques arrêtent de surchauffer.