Изследователски екип от Националната лаборатория Оук Ридж, с участието на специалисти от Държавния университет в Охайо и корпорация Amphenol, разработи метод за управление на топлинния поток в твърдите материали с помощта на външно електрическо поле. Експериментите са проведени в Spallation Neutron Source с помощта на техники за разсейване на неутрони.

В изследването учените установяват, че прилагането на електрическо поле към релаксорна сегнетоелектрическа керамика променя динамиката на фононите – квазичастиците, които пренасят топлинната енергия в кристалната решетка. Когато се прилага електрическо поле, фононите, движещи се по неговата посока, показват увеличена продължителност на живота и по-голяма дължина на свободния път в сравнение с трептенията в другите посоки. Това подобрява ефективността на преноса на топлина по вектора на полето почти три пъти.

Предишни подобни изследвания показаха подобрение на топлопреноса от 5-10%, докато предложеният подход осигурява подобрение от порядъка на 300%. Сравнението на данните от неутронното разсейване с измерванията на топлопроводимостта е дало възможност да се свърже пряко наблюдаваният ефект с увеличаването на времето на живот на фононите в кристалната структура.

Според авторите на изследването, публикувано в списание PRX Energy, електрическото поле потиска нанофазовите антифероелектрични флуктуации по посока на поляризацията, което намалява разсейването на топлинните фонони и създава условия за по-ефективен пренос на енергия. Получените резултати показват обещаващото използване на електрически модифицирани наноструктури във функционални материали с неорганизирана структура за създаване на твърдотелни системи за контрол на топлинния поток.

Практическото приложение на метода може да засегне разработването на електронни системи за охлаждане без подвижни части, термоелектрически преобразуватели, интегрални схеми и когенерационни инсталации за оползотворяване на промишлената топлина. Възможността за насочено управление на скоростта и траекторията на топлопренасяне открива нови пътища за подобряване енергийната ефективност на високотехнологичните устройства.