Учени променят мигновено топлопроводимостта с електрическо поле

Мигновената промяна в топлопроводимостта на даден материал под въздействие на електрически сигнал има огромен потенциал за приложение в системите за слънчева енергия
(снимка: CC0 Public Domain)

Група учени от държавния университет в Охайо доказа, че топлопроводимостта на даден материал може да се контролира мигновено при стайна температура с помощта на електрическо поле. Това отваря пътя за създаване на твърдотелни термопревключватели, които ще намерят много практически приложения.

Способността за промяна на топлопроводимостта под въздействие на електрически сигнали е свойство, което се приписва на фероелектриците, но досега нямаше научни статии, доказващи това. За да обосноват теорията за термичните превключватели, учените от Охайо са използвали отдавна прогнозираната феронова квазичастица. Тя пренася както топлина (енергия, получена от околната среда), така и поляризация в материала.

Фероните се движат на вълни в материала сред осцилиращите атоми на кристалната решетка. И ако по-рано се смяташе, че външното електрическо поле не влияе на трептенията на атомите в решетката, то новото изследване и новата теория доказват, че сложният ефект от въздействието на външно електрическо поле върху поляризацията и „колебанието” на фероните, заедно с въздействието върху трептенията на атомите в решетката, води до превключваем пренос на топлина.

„Открихме, че промяната на позицията на тези атоми и промяната на естеството на вибрациите трябва да пренасят топлина и следователно външно поле, което променя тези вибрации, трябва да повлияе на топлопроводимостта”, казват изследователите, цитирани от Science Daily. „Хората са склонни да мислят, че вибрациите на атомите са нещо естествено и не реагират на електрическо или магнитно поле. Ние казваме, че те могат да бъдат повлияни от електрическо поле”.

При експерименти с фероелектрик като оловния цирконат-титанат, теорията и измерванията съвпадат – с и без електрическо поле разликата в топлопроводимостта е 2%. За практическо приложение това не е нищо, въпреки че резултатът е достатъчен като потвърждение на теорията.

В бъдеще учените се надяват да открият такъв материал за превключване на топлопроводимостта, който я променя под въздействие на електрическия сигнал с поне около 15%. Подобни материали биха намерили приложение в системите за слънчева енергия и в други области – например за охлаждане на електрониката в космически кораби, където това е много трудно.

Важна подробност е, че изследването на учените от Охайо се финансира от американските военни и по разбираеми причини те не бързат да споделят планове за бъдещото използване на откритието.