Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy, in samenspanning met de Ohio State University en Amphenol Corporation, hebben ontdekt dat het aanleggen van een elektrisch veld op een keramisch materiaal warmte bijna drie keer efficiënter in één richting kan laten stromen. De bevindingen, gepubliceerd in PRX Energy, dagen alles uit wat we dachten te weten over warmtetransport – of op zijn minst dagen ze enkele lang gekoesterde aannames uit.

Het geheim zit in fononen, die kleine atomaire trillingen die warmte vervoeren als een zeer kleine, zeer overvolle metro. Wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd, leven de fononen die in dezelfde richting trillen als het veld langer en reizen ze verder, terwijl de fononen die zijwaarts trillen er gewoon de brui aan geven. Het resultaat? Warmte schiet langs de veldrichting bijna drie keer sneller dan elders.

“Het vermogen om zowel de snelheid als de manier waarop warmte stroomt te beheersen, kan leiden tot apparaten die thermische energie veel efficiënter beheren,” zei Puspa Upreti, een postdoctoraal onderzoeker bij ORNL, op een toon die suggereert dat ze al droomt van betere koelsystemen.

Het team gebruikte een klasse keramieken genaamd relaxor-gebaseerde ferro-elektrica, die eigenlijk de coole kinderen van de materiaalwereld zijn – wanneer blootgesteld aan een elektrisch veld, lijnen hun kleine elektrische ladingen op en stoppen ze met het verstrooien van de fononen. Om te zien wat er werkelijk gebeurde, zetten ze geavanceerde inelastische neutronenverstrooiing in bij de Spallation Neutron Source, want als je atomen wilt zien trillen, haal je de grote neutronenkanonnen tevoorschijn.

“Eerder werk aan bulk ferro-elektrische materialen bereikte bescheiden verbeteringen in thermische geleidbaarheid van 5 tot 10 procent, terwijl de nieuwe metingen een verbetering van bijna 300 procent laten zien,” zei ORNL senior onderzoeker Michael Manley, die de experimenten leidde. Dat is een verdrievoudiging, wat zelfs de onderzoekers verraste, die blijkbaar iets meer als een beleefd duwtje hadden verwacht.

De wijlen professor Joseph Heremans van Ohio State, die de thermische geleidbaarheidsexperimenten ontwierp, zou trots zijn geweest. Zijn promovendus Delaram Rashadfar merkte op: “Professor Heremans benadrukte altijd het belang van eerst de data vertrouwen en de theorie later laten volgen.” Wijze raad, vooral als de data zegt: “Hé, we hebben zojuist de warmtestroom verdrievoudigd.”

Deze doorbraak zou kunnen leiden tot solid-state koelsystemen, warmte-naar-elektriciteit omzetters en betere chip-gebaseerde elektronica – eigenlijk alles dat te heet wordt en moet afkoelen. Het onderzoek werd ondersteund door het DOE Basic Energy Sciences programma, want blijkbaar wil zelfs de overheid dat zijn elektronica stopt met oververhitten.