Можно ли направить тепло подобно тому, как электрические цепи управляют потоком электричества? Возможно, да, согласно новому исследованию, если бы новый вид квазичастиц можно было бы эффективно использовать для создания реального теплового переключателя.
Почти каждая современная технология может быть примером использования электроэнергии в производственных целях. С правильными материалами можно было бы создать тепло, похожее на другой вид тока. Однако, как говорит старший автор исследования Джозеф Хереманс, физик и инженер из Университета штата Огайо, «в отличие от электрического тока, тепло распространяется повсюду, и его гораздо сложнее контролировать».
Тем не менее, даже несовершенный тепловой выключатель может иметь серьезные технологические последствия. Например, более 70 процентов энергии, используемой человечеством, исходит из тепла, такого как двигатели внутреннего сгорания. Тепловые переключатели могут повысить эффективность целых классов тепловых двигателей , таких как солнечные тепловые электростанции , которые используют тепло солнца для выработки электроэнергии.
«Термодинамическая эффективность схемы выработки электроэнергии в решающей степени зависит от разницы температур между горячим и холодным тепловыми резервуарами», — говорит Хереманс. «С помощью теплового выключателя и системы накопления тепла можно поддерживать температуру аккумулирующей среды намного выше средней температуры горячего источника и близкой к ее максимуму, что может удвоить тепловую эффективность системы . ”
Современные тепловые выключатели почти все механические по своей природе, например, работающие за счет откачки газов. Их движущиеся части делают их уязвимыми к поломкам из-за усталости с течением времени. По словам Хереманса, современные твердотельные тепловые переключатели либо работают только при очень низких температурах, либо основаны на фазовых переходах , которые работают в ограниченном диапазоне температур.
Теперь исследования обычной керамики могут однажды привести к твердотельным термовыключателям с электрическим управлением, которые могут практически работать при комнатной температуре.
Как работает новый тепловой выключатель?
Исследователи проанализировали материал из титаната циркония и свинца (PZT). Эта керамика является пьезоэлектрической , то есть она может преобразовывать механические колебания в электрические сигналы и наоборот.
PZT представляет собой вид пьезоэлектрического вещества, известного как сегнетоэлектрик . Электрические заряды внутри материалов разделяются на положительные и отрицательные полюса, а в сегнетоэлектриках эти электрические диполи обычно поляризованы или выровнены в одном направлении. Электрические поля могут изменить способ ориентации этих диполей.
Предыдущие исследования предполагали, что поляризация в сегнетоэлектриках может двигаться как квазичастицы — волны, которые движутся внутри решеток атомов так же, как частицы, проносящиеся в пространстве, — теоретически известные как ферроны. Подобные квазичастицы, известные как магноны, могут влиять на магнитные полюса в магнитных материалах. Магноны могут переносить тепло, поэтому исследователи задаются вопросом, могут ли ферроны управлять теплом.
Теперь ученые обнаружили первое экспериментальное свидетельство существования феррона и того, что эта квазичастица действительно может переносить тепло. Более того, их работа показывает, что феррон чувствителен к электрическим полям, что позволяет предположить, что сегнетоэлектрики могут служить тепловыми переключателями.
Исследователи обнаружили, что атомные колебания, то есть тепло, в сегнетоэлектрике могут реагировать на электрические поля из-за эффекта, известного как пьезоэлектрическая деформация . Когда к сегнетоэлектрику прикладывается напряжение, решетка атомов может сжиматься или растягиваться, изменяя механические свойства материала, а также его теплопроводность.
«Мы показываем, что фононами [вибрационными волнами в кристаллической решетке] можно управлять с помощью электрических полей», — говорит ведущий автор исследования Брэнди Вутен, материаловед из Университета штата Огайо. «Хитрость заключается в том, чтобы найти правильный материал, обладающий желаемыми свойствами, чтобы воплотить это в жизнь. Нестандартное мышление, особенно в отношении старых «наследственных» материалов, может привести к новым и интересным результатам».
Ученые обнаружили, что приложение электрического поля к PZT может заставить его действовать как тепловой выключатель, что приводит к двухпроцентной разнице между его максимальной и минимальной теплопроводностью, как они и предсказывали. Это в четыре-пять раз большее влияние электрического поля на теплопроводность при комнатной температуре, чем наблюдалось ранее.
Результаты оказались очень последовательными. «Механизм очень прочный и надежный — идеально подходит для термовыключателя, который должен работать в устройстве десятилетиями», — говорит Вутен.
Исследователи разработали теоретическую модель для предсказания свойств ферронов в сегнетоэлектриках. Сейчас они пытаются найти материалы, в которых эффект переключения тепла очень велик.
«Теперь, когда у нас есть прогностическая теория, можно начинать работу по оптимизации», — говорит Хереманс. «Конечно, мы надеемся, что многие группы по всему миру примут участие в этой работе».
Ученые подробно описали свои выводы ранее в этом месяце в журнале Science Advances .
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов
hello@technovery.com