Учёные научились менять теплопроводность материала с помощью электрических сигналов. Подобное свойство подозревалось у ферроэлектриков, но до сих пор доказывающих это научных работ не было. Группа учёных из Университета штата Огайо смогла доказать, что теплопроводностью можно управлять при комнатной температуре с помощью электрического поля. Фактически речь идёт о создании твердотельных тепловых переключателей, что найдёт множество практических применений.
Источник изображения: Pixabay
Для создания теории тепловых коммутаторов учёные воспользовались давно предсказанной квазичастицей ферроном. Эта квазичастица переносит в материале одновременно тепло (полученную из окружающей среды энергию) и поляризацию. Ферроны волнообразно перемещаются в материале среди колеблющихся атомов кристаллической решётки. И если раньше считалось, что внешнее электрическое поле не воздействует на колебания атомов в решётке, то новое исследование и новая теория доказали, что комплексное воздействие внешнего электрического поля на поляризацию и «вихляние» ферронов вместе с воздействием на колебание атомов в решётке приводит к эффекту переключаемого переноса тепла.
«Мы выяснили, что изменение положения этих атомов и изменение характера колебаний должно переносить тепло, и поэтому внешнее поле, изменяющее эти колебания, должно влиять на теплопроводность, — заявляют исследователи. — Люди склонны думать, что вибрации атомов — это само собой разумеющийся факт, которые не реагируют на электрическое или магнитное поле. А мы говорим, что на них можно воздействовать электрическим полем».
В экспериментах с таким ферроэлектриком (в советской литературе — сегнетоэлектриком), как цирконат-титанат свинца теория и измерения совпали — при приложении электрического поля и без него разница в теплопроводности составила 2 %. Для практического применения — это ничто, хотя как подтверждение теории результат достаточный.
В дальнейшем учёные намерены найти такой материал для переключения теплопроводности, который бы менял её по электрическому сигналу хотя бы на 15 % или около того. Подобные материалы нашли бы применение в солнечной энергетике и в других областях, например, для охлаждения электроники в космических аппаратах, где с этим всегда очень непросто. В любом случае, это исследование финансируют американские военные, а они не спешат делиться нюансами будущего использования этого исследования.