Керамический материал с изменяемой теплопроводностью: революционное открытие
Открытие было основано на полезной, но сбивающей с толку идее о квазичастицах, которые действуют так, как будто они существуют, но на самом деле их нет. В твердом теле есть только три типа частиц: протоны, нейтроны и электроны. Когда эти отдельные частицы упакованы вместе (в форму твердого тела), их поведение чрезвычайно трудно предсказать, поскольку движение каждой из них напрямую зависит от всех остальных.
Что такое квазичастицы и как они устроены
Несмотря на эту безумную сложность, в этих системах есть наблюдаемые эмерджентные паттерны, которые ведут себя гораздо проще, как если бы они были частицами, взаимодействующими не со всем, что их окружает. Исследователи обнаружили некоторое количество этих паттернов в различных системах и назвали их квазичастицами. По сути, это математические инструменты, которые позволяют ученым работать с простыми моделями поведения, возникающими в хаотических системах.
Соответствующей квазичастицей в этом случае является феррон, который, как предполагалось, существует в сегнетоэлектрических материалах, подмножестве пьезоэлектрических материалов. Пьезоэлектрики — это материалы, которые генерируют переменное напряжение при вибрации или нагрузке или вибрируют при воздействии внешнего переменного напряжения. Например, в некоторых микрофонах используются пьезоэлектрические компоненты для преобразования звуковых волн в электрические сигналы. Сегнетоэлектрики — это пьезоэлектрики, которые также демонстрируют электрическую поляризацию, которую можно обратить вспять приложением электрического поля.
Ферронов, как и других квазичастиц, фактически не существует. Но они описывают волны, которые проходят через сегнетоэлектрические материалы, несущие как тепло, так и поляризацию, которые распространяются предсказуемым образом, даже если реальность каждой частицы в матрице намного сложнее.
Керамика нового поколения
Исследователи из штата Огайо предсказали, а затем попытались подтвердить поведение ферронов, используя обычную керамику из титаната свинца и циркония в качестве сегнетоэлектрического материала. Их теория: когда электрическое поле используется для возбуждения пьезоэлектрических колебаний в сегнетоэлектрическом материале, эти колебания изменяют теплопроводность материала.
«Мы выяснили, что это изменение положения этих атомов и изменение характера колебаний должно нести тепло, и поэтому внешнее поле, которое изменяет эту вибрацию, должно влиять на теплопроводность», — рассказал профессор Джозеф Хереманс, старший автор нового исследования, опубликованного в журнале Science Advances.
«Феррон также чувствителен к деформации в твердом теле. Поскольку эта квазичастица переносит тепло, количество этого тепла зависит от электрического поля. Поэтому мы создали новую теорию, которая связывает внешнее электрическое поле, напряжение, которое оно вызывает в сегнетоэлектрике, и то как это напряжение влияет на теплопроводность», — пишут исследователи в своей работе.
Тестирование подтвердило их прогнозы — хотя эффект и был весьма мягким. Приложение электрического поля к керамике дало 2%-ную разницу между ее максимальной и минимальной теплопроводностью. «Практическое применение нашего метода зависит от того, найдем ли мы материал, в котором эффект будет намного больше», — отметил Хереманс. Теория предсказывает, что можно получить материалы, способные изменять теплопроводность на целых 15%.
Как можно использовать новое открытие? Потенциальным результатом здесь является новый тип теплового выключателя, который работает без движущихся частей в диапазоне температур. Большинство современных технологий основаны либо на механических клапанах, которые со временем выходят из строя, либо на чрезвычайно низких или очень специфических температурах для проявления каких-либо полезных эффектов — чаще всего они попросту непрактичны.
Если новинка уйдет в промышленность, это может привести к радикальному скачку эффективности термоэлектрических систем, преобразующих тепло в электричество. «Термодинамическая эффективность схемы выработки электроэнергии критически зависит от разницы температур между горячим и холодным тепловыми резервуарами. 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», — заключают авторы статьи.