Il campo elettrico regola il trasporto del calore nei solidi

Influenzando il modo in cui i fononi viaggiano attraverso un reticolo cristallino, un campo elettrico può iniziare a modellare sia la velocità che la direzione del trasporto del calore.

I ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory, in collaborazione con scienziati della Ohio State University e della Amphenol Corporation, hanno dimostrato un metodo per controllare il flusso di calore nei materiali solidi utilizzando un campo elettrico.I risultati mostrano che alcune ceramiche intelligenti possono alterare il modo in cui le vibrazioni che trasportano il calore si muovono attraverso un cristallo, consentendo un trasporto termico sintonizzabile elettricamente.

La capacità di regolare il flusso di calore all’interno di un materiale potrebbe avere implicazioni pratiche per le tecnologie in cui la gestione termica è fondamentale.La conduzione del calore controllata elettricamente può supportare un migliore raffreddamento nei sistemi elettronici, una conversione più efficiente dell'energia allo stato solido e una migliore regolazione termica nei dispositivi su scala chip.Il controllo direzionale del trasporto del calore potrebbe anche favorire le applicazioni in cui il calore in eccesso limita le prestazioni del sistema.

L’approccio funziona modificando il modo in cui le vibrazioni atomiche si muovono attraverso il reticolo cristallino.Quando viene applicato un campo elettrico, le cariche interne all'interno della ceramica si allineano lungo la direzione del campo.Questo allineamento riduce la dispersione dei fononi, le vibrazioni microscopiche responsabili del trasporto del calore attraverso i solidi.Con meno interruzioni sul loro percorso, le vibrazioni possono viaggiare più lontano prima di dissipare energia, con conseguente durata della vita dei fononi più lunga e trasporto del calore più veloce.

L'effetto è osservato in una classe di materiali noti come ceramiche ferroelettriche a base di rilassanti.Quando sottoposti a un campo elettrico, i loro dipoli interni si allineano in un processo noto come polarizzazione.Le misurazioni mostrano che i fononi che si muovono lungo la direzione del campo persistono più a lungo di quelli che viaggiano perpendicolarmente ad esso, aumentando la conduttività termica lungo la direzione del campo fino a quasi tre volte quella osservata attraverso il cristallo.Il comportamento è stato esaminato attraverso esperimenti condotti presso la Spallation Neutron Source utilizzando lo scattering anelastico di neutroni per osservare sia la struttura atomica che il movimento dinamico all'interno del materiale.

Puspa Upreti, ricercatore associato presso l’Oak Ridge National Laboratory, afferma che il lavoro punta verso nuove possibilità per la gestione dell’energia termica nei materiali avanzati.“Essere in grado di controllare sia la velocità che il modo in cui i flussi di calore potrebbero portare a dispositivi in ​​grado di gestire l’energia termica in modo molto più efficiente”.