Naukowcy odkryli tajemnicę właściwości materiałów stałych zwaną ferroelektrykami, pokazując, że kwazicząstki poruszające się po falistych wzorach wśród wibrujących atomów przenoszą wystarczającą ilość ciepła, aby zamienić materiał w przełącznik termiczny, gdy zewnętrzne pole elektryczne zostanie przyłożone.

Kluczowym odkryciem badania jest to, że tę kontrolę przewodności cieplnej można przypisać strukturze materiału, a nie przypadkowym zderzeniom między atomami. W szczególności naukowcy opisują kwazicząstki zwane ferronami, których polaryzacja zmienia się, gdy „poruszają się” między wibrującymi atomami – i to uporządkowane drganie i polaryzacja, podatna na przyłożone z zewnątrz pole elektryczne, decyduje o zdolności materiału do przenoszenia ciepła z inną szybkością .

„Doszliśmy do wniosku, że ta zmiana położenia tych atomów i zmiana charakteru wibracji musi przenosić ciepło, a zatem pole zewnętrzne, które zmienia te wibracje, musi wpływać na przewodnictwo cieplne” – powiedział starszy autor Joseph Heremans, profesor inżynierii mechanicznej i lotniczej, materiałoznawstwa i inżynierii oraz fizyki na Ohio State University.

„Ludzie mają tendencję do myślenia, że ​​wibracje atomów są pewnym faktem i nie reagują na pole elektryczne ani pole magnetyczne. A my mówimy, że można na nie wpływać polem elektrycznym”.

Za pomocą prostego zewnętrznego bodźca elektrycznego przewodność cieplną tego typu materiałów można zmienić w temperaturze pokojowej, a nie w ekstremalnie niskich temperaturach wymaganych do kontrolowania większości materiałów kandydujących na półprzewodnikowe przełączniki ciepła, zwiększając możliwości rzeczywistych światowych zastosowań tej technologii, twierdzą naukowcy.

Badanie zostało opublikowane dzisiaj (1 lutego 2023 r.) w czasopiśmie Postępy nauki.

Materiałem użytym w badaniu jest zwykła ceramika z tytanianu ołowiu i cyrkonu należąca do klasy materiałów zwanych piezoelektrykami, które zmieniają kształt pod wpływem pola elektrycznego lub wytwarzają ładunek elektryczny pod wpływem naprężeń mechanicznych.

Ferroelektryki, podzbiór piezoelektryków, to materiały, w których ładunki elektryczne na atomach mogą spontanicznie tworzyć dipole elektryczne, które wszystkie ustawiają się w tym samym kierunku, tworząc tak zwaną polaryzację. Te dipole mogą być przełączane przez zewnętrzne pole elektryczne.

Do tej pory naukowcy nie spisali formalnie, w jaki sposób polaryzacja będzie się zmieniać po zastosowaniu ciepła. W tym nowym artykule ruch ten jest opisany przez wprowadzenie kwazicząstki – zwanej ferronem – która jednocześnie przenosi fale polaryzacji i ciepła. Ferron jest wrażliwy na zewnętrzne pole elektryczne, co oznacza, że ​​zastosowanie zewnętrznego pola elektrycznego może zmienić materiał w przełącznik ciepła.

„Kwazicząstka zawsze tam była. Po prostu nie została zidentyfikowana i zmierzona” – powiedziała pierwsza autorka, dr Brandi Wooten. studentka inżynierii materiałowej i inżynierii materiałowej w Ohio State.

Wooten porównał zachowanie ferronów do fali na stadionie, gdzie każdy kibic reprezentuje komórkę atomów zebranych razem w krysztale.

„Masz wszystkie te atomy, a one mają ten specjalny dipol – atom z ładunkiem elektrycznym, który porusza się w górę i w dół, tworzy dipol. Możesz myśleć o ludzkich rękach unoszących się w górę, wykonując falę, jako o sile dipola – jeśli ich ręce są w górze , jest naprawdę silny. Jeśli są trochę w dół, jest słabszy, a jeśli są całkowicie w dół, jest to negatywne „- powiedziała. „To jest siła dipola. Odkryliśmy, że te specjalne fale przenoszą zarówno ciepło, jak i polaryzację, i nazwaliśmy je ferronami”.

Ta właściwość przenoszenia ciepła jest indukowana przez pole elektryczne poprzez zjawisko znane jako odkształcenie piezoelektryczne: sieć kurczy się lub rozciąga po przyłożeniu napięcia, a atomy i siły między nimi poruszają się tam iz powrotem, ostatecznie zmieniając właściwości mechaniczne materiału iw rezultacie zmieniając jego przewodność cieplną, powiedział Heremans, również wybitny uczony z Ohio w dziedzinie nanotechnologii.

„Ferron jest również wrażliwy na naprężenia w ciele stałym. Ponieważ ferron przenosi ciepło, ilość przenoszonego ciepła zależy od pola elektrycznego” – powiedział. „Napisaliśmy więc nową teorię, która dotyczy zewnętrznego pola elektrycznego, naprężenia, które indukuje w ferroelektryku, i ostatecznie tego, jak to naprężenie wpływa na przewodność cieplną”.

Teoria jest przewidywalna, więc naukowcy mogą ją teraz wykorzystać do znalezienia materiałów, w których efekt jest znacznie większy, ostatecznie prowadząc do materiałów, w których jest wystarczająco duży, aby można go było wykorzystać w przełącznikach ciepła w codziennych zastosowaniach, takich jak gromadzenie energii słonecznej.

Przyłożenie pola elektrycznego do materiału spowodowało 2% różnicę między przewodnictwem maksymalnym i minimalnym — zgodnie z przewidywaniami nowej teorii. Seria eksperymentów określających ilościowo wibracje atomów poprzez pomiar prędkości fal dźwiękowych materiału oraz właściwości równowagi i transportu potwierdziła, że ​​„wszystko zależy tylko od struktury materiału, niekoniecznie od tego, co rozprasza wibracje” – powiedział Wooten.

Naukowcy badają teraz inne materiały, które mogą zwiększyć tę zmianę przewodności cieplnej nawet o 15%, zgodnie z przewidywaniami nowej teorii.

„Każde zastosowanie zależy od znalezienia materiału, w którym efekt jest znacznie większy” – powiedział Heremans. „Szukamy materiałów o odpowiednich parametrach.”

Dodatkowi współautorzy to Ryo Iguchi i Ken-ichi Uchida z Narodowego Instytutu Nauki o Materiałach w Japonii; Ping Tang i Gerrit Bauer z Uniwersytetu Tohoku; i Joon Sang Kang ze stanu Ohio.