Campo elétrico ajusta o transporte de calor em sólidos

Ao influenciar a forma como os fônons viajam através de uma rede cristalina, um campo elétrico pode começar a moldar a velocidade e a direção do transporte de calor.

Pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge, trabalhando com cientistas da Universidade Estadual de Ohio e da Amphenol Corporation, demonstraram um método para controlar o fluxo de calor em materiais sólidos usando um campo elétrico.As descobertas mostram que certas cerâmicas inteligentes podem alterar a forma como as vibrações que transportam calor se movem através de um cristal, permitindo o transporte térmico eletricamente ajustável.

A capacidade de regular o fluxo de calor dentro de um material pode ter implicações práticas para tecnologias onde a gestão térmica é crítica.A condução de calor controlada eletricamente pode suportar melhor resfriamento em sistemas eletrônicos, conversão de energia de estado sólido mais eficiente e melhor regulação térmica em dispositivos em escala de chip.O controle direcional do transporte de calor também pode beneficiar aplicações onde o excesso de calor limita o desempenho do sistema.

A abordagem funciona modificando a forma como as vibrações atômicas se movem através da rede cristalina.Quando um campo elétrico é aplicado, as cargas internas da cerâmica se alinham ao longo da direção do campo.Este alinhamento reduz a dispersão dos fônons, as vibrações microscópicas responsáveis ​​por transportar o calor através dos sólidos.Com menos interrupções no seu caminho, as vibrações podem viajar mais longe antes de dissipar a energia, resultando em vidas úteis mais longas dos fônons e num transporte de calor mais rápido.

O efeito é observado em uma classe de materiais conhecida como cerâmica ferroelétrica à base de relaxante.Quando submetidos a um campo elétrico, seus dipolos internos se alinham em um processo conhecido como polarização.As medições mostram que os fônons que se movem ao longo da direção do campo persistem por mais tempo do que aqueles que viajam perpendicularmente a ele, aumentando a condutividade térmica ao longo da direção do campo para quase três vezes a observada através do cristal.O comportamento foi examinado através de experimentos conduzidos na Spallation Neutron Source usando espalhamento inelástico de nêutrons para observar a estrutura atômica e o movimento dinâmico dentro do material.

Puspa Upreti, pesquisadora de pós-doutorado no Laboratório Nacional de Oak Ridge, afirma que o trabalho aponta para novas possibilidades de gerenciamento de energia térmica em materiais avançados.“Ser capaz de controlar a rapidez e a forma como os fluxos de calor podem levar a dispositivos que gerem a energia térmica com muito mais eficiência.”