Sähkökenttä virittää värähtelyjä helpottaakseen lämmönsiirtoa

Oak Ridge National Laboratoryn uusi tutkimus yhteistyössä Ohion osavaltionyliopiston ja Amphenol Corporationin kanssa haastaa perinteisen ymmärryksen lämmönvirtauksen hallitsemisesta kiinteissä materiaaleissa.

Äskettäin julkaistu tutkimus osoittaa, että sähkökentän kohdistaminen keraamiseen materiaaliin muuttaa fononien (pienien lämpöä kuljettavien värähtelyjen) käyttäytymistä. Fononit, joiden atomit liikkuvat kentän suunnassa (napa-asennossa), kestävät pidempään kuin ne, joiden atomit liikkuvat kohtisuorassa kenttään nähden.

Tämän seurauksena materiaali johtaa lämpöä lähes kolme kertaa tehokkaammin kentän suunnassa kuin kohtisuorassa suunnassa. Tämä lupaava lähestymistapa voisi johtaa uusiin kiinteän olomuodon laitteisiin, jotka ohjaavat lämmön virtausta jokapäiväisissä teknologioissa.

"Mahdollisuus hallita sekä lämpövirtojen nopeutta että niiden virtaustapaa voisi johtaa laitteisiin, jotka hallitsevat lämpöenergiaa paljon tehokkaammin", sanoo ORNL:n postdoc-tutkija Puspa Upreti.

Hyötysuhteen ja lämmönvirtauksen välinen yhteys osoitetaan Carnot'n syklillä, idealisoidulla mallilla lämpövoimalaitteesta, joka asettaa korkeimman mahdollisen hyötysuhteen kontrolloimalla tarkasti lämmönsiirtoa kuumien ja kylmien säiliöiden välillä.

Tässä tutkimuksessa sähkökentän käyttäminen poistaa fononien kuljetuksen esteitä. Tämä antaa värähtelyjen kulkeutua pidemmälle, aivan kuten vähentämällä liikennettä vilkkaalla tiellä, ja parantaa lämmönjohtavuutta sähkökentän suunnassa, mikä johtaa parempaan hyötysuhteeseen.

Tutkimus keskittyi erityiseen keraamityyppiin, jota kutsutaan relaksoreihin perustuviksi ferroelektrisiksi aineiksi. Kun nämä keraamit altistetaan sähkökentälle, niiden sisällä olevat pienet sähkövaraukset asettuvat linjaan. Tämä linjaus vähentää lämpöä kantavien värähtelyjen sirontaa, jolloin energia virtaa tehokkaammin.

ORNL:n vanhempi tutkija Michael Manley suunnitteli ja johti epäelastisia neutronisirontakokeita yhdessä ORNL:n Raphaël Hermannin kanssa. ”Aiempi työ ferroelektristen materiaalien parissa saavutti vaatimattomia 5–10 prosentin parannuksia lämmönjohtavuudessa, kun taas uudet mittaukset osoittavat lähes 300 prosentin parannuksen – pääasiassa siksi, että fononit pystyvät kulkemaan paljon pidempään ennen pysähtymistään”, Manley sanoi.

Yhdistämällä lämmönjohtavuusmittauksensa neutronisirontadataan tutkijat yhdistivät suoraan lämmönvirtauksen muutokset atomivärähtelyjen käyttäytymiseen kiteessä.

Aiheesta aiemmin:

Nanotason jäähdytystä ionivirtauksella

Elektronien ja fononien ennustetaan virtaavan kuin vesi 2D-puolijohteissa