Επιστήμονες ανακάλυψαν ότι η εφαρμογή ενός ηλεκτρικού πεδίου σε ορισμένα κεραμικά υλικά μπορεί να ανακατευθύνει δραστικά τον τρόπο με τον οποίο η θερμότητα κινείται μέσα από αυτά.
Μια πρόσφατη έρευνα από το Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge του Υπουργείου Ενέργειας (ORNL), η οποία διεξήχθη σε συνεργασία με το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Οχάιο και την Amphenol Corporation, αμφισβητεί παγιωμένες ιδέες σχετικά με το πώς η θερμότητα μπορεί να κατευθυνθεί μέσα από στερεά υλικά.
Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό PRX Energy, δείχνουν ότι ένα ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να αλλάξει σημαντικά τον τρόπο με τον οποίο τα φωνόνια (μικροσκοπικές δονήσεις που μεταφέρουν θερμότητα) κινούνται στο εσωτερικό ενός κεραμικού.
Όταν τα άτομα δονούνται προς την ίδια κατεύθυνση με το εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο (κατεύθυνση πόλωσης), τα φωνόνια παραμένουν ενεργά για περισσότερο χρόνο σε σύγκριση με τις δονήσεις που κινούνται εγκάρσια προς το πεδίο.
Λόγω αυτής της διαφοράς, η θερμότητα ταξιδεύει μέσα από το υλικό σχεδόν τρεις φορές πιο αποτελεσματικά κατά μήκος της κατεύθυνσης του ηλεκτρικού πεδίου απ’ ό,τι σε άλλες κατευθύνσεις.
Οι ερευνητές αναφέρουν ότι αυτή η στρατηγική θα μπορούσε να ανοίξει την πόρτα για νέες τεχνολογίες στερεάς κατάστασης που καθοδηγούν τη θερμότητα σε πρακτικές συσκευές. «Η ικανότητα ελέγχου τόσο της ταχύτητας όσο και του τρόπου με τον οποίο ρέει η θερμότητα θα μπορούσε να οδηγήσει σε συσκευές που διαχειρίζονται τη θερμική ενέργεια πολύ πιο αποδοτικά», δήλωσε ο Puspa Upreti, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο ORNL.
Γιατί έχει σημασία ο έλεγχος της θερμότητας
Η διαχείριση της κίνησης της θερμότητας είναι απαραίτητη για πολλές προηγμένες τεχνολογίες. Τα παραδείγματα περιλαμβάνουν ηλεκτρονικά συστήματα ψύξης που λειτουργούν χωρίς κινούμενα μέρη, συσκευές που μετατρέπουν τη θερμότητα σε ηλεκτρισμό, κυκλώματα βασισμένα σε τσιπ που χρησιμοποιούνται στα σύγχρονα ηλεκτρονικά, καθώς και συστήματα συμπαραγωγής που δεσμεύουν τη βιομηχανική θερμότητα και την επαναχρησιμοποιούν.
Η διατήρηση της σωστής ροής θερμότητας επιτρέπει σε αυτά τα συστήματα να λειτουργούν στη μέγιστη δυνατή απόδοση και επίδοσή τους. Η σχέση μεταξύ της ροής θερμότητας και της απόδοσης απεικονίζεται από τον κύκλο Carnot, ένα θεωρητικό μοντέλο μιας θερμικής μηχανής που ορίζει τη μέγιστη δυνατή απόδοση όταν η θερμότητα κινείται μεταξύ θερμών και ψυχρών δεξαμενών με ελεγχόμενο τρόπο.
Σε αυτή την έρευνα, το ηλεκτρικό πεδίο μειώνει τα εμπόδια που κανονικά διαταράσσουν την κίνηση των φωνονίων. Με λιγότερες διακοπές, οι δονήσεις μπορούν να ταξιδέψουν μακρύτερα μέσα στο υλικό, παρόμοια με τον τρόπο που η κυκλοφορία κινείται πιο ελεύθερα όταν μειώνεται η συμφόρηση. Αυτή η βελτιωμένη κίνηση των φωνονίων ενισχύει την αγωγή θερμότητας προς την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου και αυξάνει την απόδοση.
Πειράματα νετρονίων αποκαλύπτουν την ατομική κίνηση
Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν στην Πηγή Νετρονίων Σπαλάρωσης (SNS), μια εγκατάσταση του Υπουργείου Ενέργειας (DOE) που βρίσκεται στο ORNL. Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν προηγμένες τεχνικές ανελαστικής σκέδασης νετρονίων για να παρατηρήσουν τόσο τη διάταξη των ατόμων στο υλικό (δομή) όσο και την κίνησή τους (δυναμική).
Τα νετρόνια επιτρέπουν στους ερευνητές να προσδιορίσουν τη θέση των ατόμων και τον τρόπο με τον οποίο κινούνται μέσα σε έναν κρύσταλλο. Αυτή η μέθοδος βασίζεται στο έργο των Clifford Shull και Bertram Brockhouse, το οποίο έχει τιμηθεί με το Βραβείο Νόμπελ.
Τα δεδομένα που συλλέχθηκαν στην εγκατάσταση παρείχαν λεπτομερή εικόνα για το πώς το ηλεκτρικό πεδίο επηρεάζει τα φωνόνια. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι το πεδίο όχι μόνο αυξάνει την ταχύτητα αυτών των δονήσεων, αλλά παρατείνει και τη διάρκεια ζωής τους. Και τα δύο φαινόμενα είναι σημαντικά για τη βελτίωση της μεταφοράς θερμότητας.
Η ομάδα επικεντρώθηκε σε ένα εξειδικευμένο κεραμικό γνωστό ως σιδηροηλεκτρικά υλικά χαλάρωσης (relaxor-based ferroelectrics). Όταν εκτίθενται σε ηλεκτρικό πεδίο, μικρά ηλεκτρικά φορτία στο εσωτερικό αυτών των υλικών ευθυγραμμίζονται.
Αυτή η ευθυγράμμιση μειώνει τη σκέδαση που κανονικά διαταράσσει τις δονήσεις που μεταφέρουν θερμότητα, επιτρέποντας στην ενέργεια να κινείται μέσα στον κρύσταλλο πιο αποτελεσματικά.
Οι κρύσταλλοι που εξετάστηκαν στη μελέτη αναπτύχθηκαν προσεκτικά και στη συνέχεια εκτέθηκαν σε ηλεκτρικό πεδίο, μια διαδικασία που ονομάζεται “πόλωση” (poling), από τον Raffi Sahul στην Amphenol Corporation. Τα υλικά που προέκυψαν επέτρεψαν τον ακριβή έλεγχο της κίνησης της ενέργειας μέσα στο στερεό.
Ο ανώτερος ερευνητής του ORNL, Michael Manley, σχεδίασε και ηγήθηκε των πειραμάτων ανελαστικής σκέδασης νετρονίων μαζί με το ανώτερο στέλεχος έρευνας και ανάπτυξης (R&D) του ORNL, Raphaël Hermann.
«Παλαιότερες εργασίες σε μαζικά σιδηροηλεκτρικά υλικά πέτυχαν μέτριες βελτιώσεις στη θερμική αγωγιμότητα της τάξης του 5% έως 10%, ενώ οι νέες μετρήσεις αποκαλύπτουν μια ενίσχυση κοντά στο 300% — κυρίως επειδή τα φωνόνια είναι σε θέση να ταξιδέψουν για πολύ μεγαλύτερο διάστημα πριν σταματήσουν», δήλωσε ο Manley.
Σύνδεση της ροής θερμότητας με τις ατομικές δονήσεις
Συνδυάζοντας τις μετρήσεις της θερμικής αγωγιμότητας με τα αποτελέσματα της σκέδασης νετρονίων, οι ερευνητές μπόρεσαν να συνδέσουν άμεσα τις αλλαγές στη μεταφορά θερμότητας με τη συμπεριφορά των ατομικών δονήσεων στο εσωτερικό του κρυστάλλου.
Ο εκλιπών καθηγητής Joseph Heremans του Πολιτειακού Πανεπιστημίου του Οχάιο ανέπτυξε τα πειράματα θερμικής αγωγιμότητας και καθοδήγησε την υποψήφια διδάκτορα Delaram Rashadfar κατά την ανάλυση των αποτελεσμάτων.
«Ενώ προγενέστερες εργασίες μας οδηγούσαν στο να περιμένουμε μόνο ένα μέτριο αποτέλεσμα, η παρατήρηση μιας τριπλάσιας διαφοράς αποδείχθηκε ένα εξαιρετικά σημαντικό εύρημα», δήλωσε η Rashadfar. «Ο καθηγητής Heremans τόνιζε πάντα τη σημασία του να εμπιστευόμαστε πρώτα τα δεδομένα και να αφήνουμε τη θεωρία να ακολουθεί».
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου