Naukowcy z Departamentu Energii w Oak Ridge National Laboratory (ORNL), w zmowie z Ohio State University i Amphenol Corporation, odkryli, że przyłożenie pola elektrycznego do materiału ceramicznego może sprawić, że ciepło przepływa prawie trzykrotnie wydajniej w jednym kierunku. Wyniki, opublikowane w PRX Energy, podważają wszystko, co myśleliśmy o transporcie ciepła – a przynajmniej podważają kilka długo utrzymywanych założeń.

Sekret tkwi w fononach, tych maleńkich wibracjach atomowych, które przenoszą ciepło jak bardzo zatłoczone metro. Gdy przyłożone jest pole elektryczne, fonony wibrujące w tym samym kierunku co pole żyją dłużej i podróżują dalej, podczas gdy te wibrujące na boki po prostu się poddają. Rezultat? Ciepło pędzi wzdłuż kierunku pola prawie trzy razy szybciej niż gdzie indziej.

„Możliwość kontrolowania zarówno szybkości, jak i sposobu przepływu ciepła może prowadzić do urządzeń, które zarządzają energią cieplną znacznie wydajniej” – powiedziała Puspa Upreti, adiunkt w ORNL, tonem sugerującym, że już marzy o lepszych systemach chłodzenia.

Zespół użył klasy ceramik zwanych ferroelektrykami relaksorowymi, które są po prostu fajnymi dziećmi w świecie materiałów – pod wpływem pola elektrycznego ich maleńkie ładunki elektryczne ustawiają się w szeregu i przestają rozpraszać fonony. Aby zobaczyć, co się naprawdę dzieje, użyli zaawansowanego nieelastycznego rozpraszania neutronów w Źródle Neutronów Spalacyjnych, bo gdy chcesz obserwować wibracje atomów, wyciągasz ciężkie działa neutronowe.

„Wcześniejsze prace nad masywnymi materiałami ferroelektrycznymi osiągały skromne poprawy przewodności cieplnej o 5 do 10 procent, podczas gdy nowe pomiary ujawniają wzrost bliski 300 procent” – powiedział starszy badacz ORNL Michael Manley, który prowadził eksperymenty. To trzykrotny wzrost, który zaskoczył nawet badaczy, którzy najwyraźniej spodziewali się czegoś w rodzaju uprzejmego szturchnięcia.

Zmarły profesor Joseph Heremans z Ohio State, który zaprojektował eksperymenty z przewodnością cieplną, byłby dumny. Jego doktorantka Delaram Rashadfar zauważyła: „Profesor Heremans zawsze podkreślał znaczenie ufania danym w pierwszej kolejności i pozwalania, by teoria podążała za nimi”. Mądra rada, zwłaszcza gdy dane mówią: „Hej, właśnie potroiliśmy przepływ ciepła”.

To przełomowe odkrycie może prowadzić do systemów chłodzenia w stanie stałym, konwerterów ciepła na energię elektryczną i lepszych układów scalonych – w zasadzie wszystkiego, co się przegrzewa i potrzebuje ochłody. Badania były wspierane przez program DOE Basic Energy Sciences, bo najwyraźniej nawet rząd chce, żeby jego elektronika przestała się przegrzewać.