Исследователи из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики (ORNL) в сговоре с Университетом штата Огайо и корпорацией Amphenol обнаружили, что приложение электрического поля к керамическому материалу может заставить тепло течь почти в три раза эффективнее в одном направлении. Результаты, опубликованные в PRX Energy, бросают вызов всему, что мы думали, что знаем о переносе тепла — или, по крайней мере, они бросают вызов некоторым давним предположениям.

Секрет кроется в фононах, тех крошечных атомных вибрациях, которые переносят тепло, как очень маленькое, очень переполненное метро. Когда прикладывается электрическое поле, фононы, вибрирующие в том же направлении, что и поле, живут дольше и путешествуют дальше, в то время как те, что вибрируют поперек, просто сдаются. Результат? Тепло мчится вдоль направления поля почти в три раза быстрее, чем в других направлениях.

«Возможность контролировать как скорость, так и способ течения тепла может привести к устройствам, которые управляют тепловой энергией гораздо эффективнее», — сказала Пушпа Упрети, научный сотрудник ORNL, тоном, предполагающим, что она уже мечтает о лучших системах охлаждения.

Команда использовала класс керамики, называемый релаксорными сегнетоэлектриками, которые, по сути, являются крутыми ребятами в мире материалов — при воздействии электрического поля их крошечные электрические заряды выстраиваются в линию и перестают рассеивать фононы. Чтобы увидеть, что на самом деле происходит, они применили передовое неупругое рассеяние нейтронов на источнике нейтронов Spallation Neutron Source, потому что, когда хочешь наблюдать, как вибрируют атомы, достаешь большие нейтронные пушки.

«Более ранние работы с объемными сегнетоэлектрическими материалами дали скромные улучшения теплопроводности на 5-10%, в то время как новые измерения показывают увеличение почти на 300%», — сказал старший исследователь ORNL Майкл Мэнли, руководивший экспериментами. Это трехкратное увеличение, которое удивило даже исследователей, которые, очевидно, ожидали чего-то вроде вежливого толчка.

Покойный профессор Джозеф Хереманс из Университета штата Огайо, разработавший эксперименты по теплопроводности, гордился бы. Его докторант Деларам Рашадфар отметила: «Профессор Хереманс всегда подчеркивал важность доверия данным в первую очередь и следования теории потом». Мудрый совет, особенно когда данные говорят: «Эй, мы только что утроили тепловой поток».

Этот прорыв может привести к твердотельным системам охлаждения, преобразователям тепла в электричество и улучшенным чиповым электронным устройствам — в общем, ко всему, что перегревается и нуждается в охлаждении. Исследование было поддержано программой DOE Basic Energy Sciences, потому что, очевидно, даже правительство хочет, чтобы его электроника переставала перегреваться.