Cercetătorii de la Laboratorul Național Oak Ridge al Departamentului de Energie (ORNL), în complicitate cu Universitatea de Stat Ohio și Amphenol Corporation, au descoperit că aplicarea unui câmp electric unui material ceramic poate face ca energia termică să curgă de aproape trei ori mai eficient într-o singură direcție. Descoperirile, publicate în PRX Energy, contestă tot ce credeam că știm despre transportul căldurii – sau cel puțin, contestă unele presupuneri de multă vreme.

Secretul stă în fononi, acele vibrații atomice minuscule care transportă căldura ca un metrou foarte mic și foarte aglomerat. Când se aplică un câmp electric, fononii care vibrează în aceeași direcție cu câmpul trăiesc mai mult și călătoresc mai departe, în timp ce cei care vibrează lateral cam renunță. Rezultatul? Căldura țâșnește de-a lungul direcției câmpului de aproape trei ori mai repede decât în altă parte.

„A putea controla atât cât de repede, cât și în ce mod curge căldura ar putea duce la dispozitive care gestionează energia termică mult mai eficient”, a spus Puspa Upreti, asociat de cercetare postdoctorală la ORNL, într-un ton care sugerează că deja visează la sisteme de răcire mai bune.

Echipa a folosit o clasă de ceramici numite feroelectrice relaxor, care sunt practic copiii cool ai lumii materialelor – când sunt expuse la un câmp electric, sarcinile lor electrice minuscule se aliniază și nu mai împrăștie fononii. Pentru a vedea ce se întâmplă de fapt, au folosit împrăștierea avansată de neutroni inelastici la Sursa de Neutroni prin Spalație, pentru că atunci când vrei să vezi atomii vibrând, scoți armele grele cu neutroni.

„Lucrări anterioare pe materiale feroelectrice masive au obținut îmbunătățiri modeste ale conductivității termice de 5% până la 10%, în timp ce noile măsurători relevă o îmbunătățire de aproape 300%”, a spus cercetătorul senior ORNL Michael Manley, care a condus experimentele. Este o creștere de trei ori, care i-a surprins chiar și pe cercetători, care se așteptau aparent la ceva mai degrabă ca o împingere politicoasă.

Profesorul târziu Joseph Heremans de la Ohio State, care a proiectat experimentele de conductivitate termică, ar fi fost mândru. Doctoranda sa Delaram Rashadfar a notat: „Profesorul Heremans sublinia întotdeauna importanța de a avea încredere în date mai întâi și de a lăsa teoria să urmeze.” Un sfat înțelept, mai ales când datele spun: „Hei, tocmai am triplat fluxul de căldură.”

Această descoperire ar putea duce la sisteme de răcire în stare solidă, convertoare de căldură în electricitate și electronice mai bune pe bază de cipuri – practic orice se încălzește prea tare și trebuie să se calmeze. Cercetarea a fost susținută de programul DOE Basic Energy Sciences, pentru că aparent chiar și guvernul vrea ca electronicele sale să nu se mai supraîncălzească.