研究人员发现，电可以显著改变热量在某些陶瓷材料中的流动方式，使特定方向上的热传导增加近三倍。这一出人意料的结果有望带来更高效的冷却技术和节能设备。
这项发表在《PRX Energy》上的研究发现，对一种特种陶瓷施加电场会改变声子的行为，声子是负责传递热量的微小原子振动。当原子沿电场方向（极化方向）振动时，这些声子的持续时间比横向移动的振动长得多。因此，沿电场方向的热量传递效率几乎是其他方向的三倍。
“能够同时控制热量流动的速度和方式，可能会催生出能更高效管理热能的装置，”橡树岭国家实验室（ORNL）博士后研究员Puspa Upreti说道。
为何控制热量至关重要
高效引导热量的能力对许多先进技术至关重要。这包括无运动部件的固态电子冷却系统、将热能转化为电能的装置、芯片电子器件，以及从工业过程中捕获并再利用废热的热电联产系统。
更好地控制传热可以提高性能和能源效率。卡诺循环阐释了这一概念，这是一个理想化的模型，通过仔细调节热区和冷区之间的热量流动来定义热机的最大理论效率。
在这项新研究中，电场减少了通常会干扰声子运动的障碍。这使得载热振动能够在材料中传播得更远，就像缓解了繁忙高速公路上的拥堵一样，从而在电场方向上实现了更高效的热传导。
中子实验揭示原子运动
为了确切了解材料内部发生的情况，研究团队在散裂中子源（SNS）进行了实验，这是由橡树岭国家实验室运营的美国能源部科学办公室用户设施。
利用先进的非弹性中子散射技术，研究人员观察到了晶体内部原子的位置及其运动方式。中子非常适合此类分析，因为它们可以同时揭示材料的结构和原子动力学，这些方法建立在克利福德·沙尔和伯特伦·布罗克豪斯获诺贝尔奖的工作基础之上。
测量结果表明，施加电场不仅提高了声子的速度，还显著延长了它们在散射前的存活时间。更长的寿命是该材料导热性能大幅提升的关键原因。
一种具有卓越传热性能的陶瓷
研究人员重点关注了一类被称为弛豫铁电体的陶瓷。当暴露于电场中时，这些材料内部的微小电荷会变得排列整齐。这种排列减少了载热声子的散射，使热能能够更高效地穿过晶体。
实验中使用的晶体经过精心生长，随后由安费诺集团（Amphenol Corporation）的Raffi Sahul进行电场处理或“极化”。由此产生的材料展示了高度可控的热传输特性。
橡树岭国家实验室资深研究员Michael Manley与该实验室资深研发人员Raphaël Hermann共同领导了这项非弹性中子散射实验。
Manley说：“早期关于块体铁电材料的研究仅实现了5%到10%的热导率适度提升，而新的测量结果显示出接近300%的增强——这主要是因为声子在停止前能够传播更长的距离。”
三倍的增长令研究人员惊讶
通过结合热导率测量与中子散射数据，研究团队能够将热流的急剧增加直接与晶体内部原子振动的变化联系起来。
俄亥俄州立大学已故教授Joseph Heremans设计了热导率实验，并指导博士候选人Delaram Rashadfar进行分析。
“虽然早期的工作让我们预期只有微小的效果，但观察到三倍的差异结果意义重大，”Rashadfar说，“Heremans教授总是强调首先要相信数据，让理论紧随其后的重要性。”
该研究由美国能源部基础能源科学计划以及额外的合作伙伴支持。