Ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia, in combutta con la Ohio State University e la Amphenol Corporation, hanno scoperto che applicare un campo elettrico a un materiale ceramico può far fluire il calore quasi tre volte più efficientemente in una direzione. I risultati, pubblicati su PRX Energy, sfidano tutto ciò che pensavamo di sapere sul trasporto del calore - o almeno, sfidano alcune convinzioni di lunga data.

Il segreto sta nei fononi, quelle minuscole vibrazioni atomiche che trasportano il calore come una metropolitana molto piccola e molto affollata. Quando viene applicato un campo elettrico, i fononi che vibrano nella stessa direzione del campo vivono più a lungo e viaggiano più lontano, mentre quelli che vibrano lateralmente si arrendono. Il risultato? Il calore sfreccia lungo la direzione del campo quasi tre volte più velocemente che altrove.

"Essere in grado di controllare sia la velocità che il modo in cui il calore fluisce potrebbe portare a dispositivi che gestiscono l'energia termica in modo molto più efficiente," ha detto Puspa Upreti, ricercatrice associata post-dottorato all'ORNL, con un tono che suggerisce che sta già sognando sistemi di raffreddamento migliori.

Il team ha utilizzato una classe di ceramiche chiamate ferroelettrici a rilassamento, che sono fondamentalmente i ragazzi fighi del mondo dei materiali - quando esposti a un campo elettrico, le loro minuscole cariche elettriche si allineano e smettono di disperdere i fononi. Per vedere cosa stesse realmente accadendo, hanno schierato la diffusione anelastica avanzata di neutroni presso la Spallation Neutron Source, perché quando vuoi guardare gli atomi vibrare, tiri fuori i grossi calibri a neutroni.

"Lavori precedenti su materiali ferroelettrici massivi hanno ottenuto miglioramenti modesti nella conducibilità termica del 5% al 10%, mentre le nuove misurazioni rivelano un miglioramento vicino al 300%," ha detto Michael Manley, ricercatore senior dell'ORNL, che ha guidato gli esperimenti. Si tratta di un aumento triplo, che ha sorpreso persino i ricercatori, che apparentemente si aspettavano qualcosa di più simile a un gentile colpetto.

Il compianto professor Joseph Heremans della Ohio State, che ha progettato gli esperimenti di conducibilità termica, sarebbe stato orgoglioso. La sua dottoranda Delaram Rashadfar ha notato: "Il professor Heremans sottolineava sempre l'importanza di fidarsi prima dei dati e lasciare che la teoria seguisse." Saggio consiglio, specialmente quando i dati dicono: "Ehi, abbiamo triplicato il flusso di calore."

Questa scoperta potrebbe portare a sistemi di raffreddamento a stato solido, convertitori di calore in elettricità e dispositivi elettronici basati su chip migliori - praticamente qualsiasi cosa che si surriscaldi e abbia bisogno di calmarsi. La ricerca è stata sostenuta dal programma DOE Basic Energy Sciences, perché a quanto pare anche il governo vuole che i suoi dispositivi elettronici smettano di surriscaldarsi.