Физики поставили эксперимент, который доказывает: управлять теплом не сложнее, чем управлять светом в оптоволокне, если знать, куда нажать.
Ученые из Окриджской национальной лаборатории вместе с коллегами из Университета Огайо и компании Amphenol случайно наткнулись на эффект, который меняет привычные представления о том, как тепло перемещается внутри твердых тел. Они выяснили, что если взять обычную керамику и пропустить через нее электрическое поле, то атомная решетка начинает вести себя совершенно по-новому.
Внутри любого материала, даже в твердом куске керамики, атомы не стоят на месте — они постоянно вибрируют. Эти микроколебания, которые физики называют фононами, и есть главные переносчики тепла. Исследователи заметили удивительную вещь: те фононы, чьи атомы качаются вдоль линии действия электрического поля, живут намного дольше своих «коллег», которые колеблются в стороны. Из-за этого материал начинает проводить тепло вдоль поля почти в три раза быстрее, чем поперек. Это все равно что проложить скоростную трассу для энергии прямо внутри куска твердого вещества.
Если мы научимся управлять не только скоростью тепла, но и тем, в какую сторону оно течет, мы сможем делать совершенно новые твердотельные устройства. Например, холодильники без движущихся частей для охлаждения мощных микросхем, генераторы, превращающие бросовое тепло заводов обратно в электричество, или тонкие системы климат-контроля для портативной электроники.
Почему это важно для эффективности? В термодинамике есть так называемый цикл Карно — это идеальный двигатель, который показывает теоретический предел КПД. Его эффективность напрямую завязана на том, как именно мы перегоняем тепло между горячим и холодным резервуаром. Новая технология позволяет убирать препятствия на пути тепловых волн, как дорожная полиция расчищает заторы на шоссе, что напрямую приближает нас к этим идеальным показателям.
Чтобы заглянуть внутрь материала и увидеть, как именно двигаются атомы, ученые отправились на мощнейший источник нейтронов (Spallation Neutron Source). Это специальная установка, где нейтроны, как сверхчувствительные щупы, позволяют разглядеть и статичное расположение атомов в кристалле, и их дрожание. Кстати, именно за такой метод наблюдения за атомами с помощью нейтронов когда-то дали Нобелевскую премию Шуллу и Брокхаузу. Полученные данные четко показали, что электрическое поле не просто разгоняет фононы, но реально продлевает им жизнь, уменьшая рассеивание энергии.
Подробности опубликованы в издании PRX Energy.
В центре внимания оказался особый класс керамики — релаксорные сегнетоэлектрики. Если пропустить через них поле, крошечные внутренние заряды внутри материала выстраиваются в стройные ряды, как солдаты на плацу. Этот порядок мешает фононам сталкиваться друг с другом и терять энергию, позволяя теплу течь свободнее. Кристаллы для эксперимента выращивали с особой тщательностью, а затем «намагничивали» электричеством прямо в лаборатории компании Amphenol.
Руководитель исследований Майкл Мэнли отметил:
Прежние работы с похожими материалами давали жалкие 5–10 процентов улучшения теплопроводности. А тут — почти 300 процентов прироста. Такой скачок случился именно потому, что фононы смогли пролетать гораздо большее расстояние, прежде чем остановиться.
Его коллега Деларам Рашадфар, которая занималась анализом данных, вспоминает наставление своего недавно ушедшего из жизни профессора Джозефа Хереманса: «Доверяй данным, а теория подстроится». И этот подход себя оправдал.
Раньше физики уже пробовали управлять теплом электричеством, но эффект был едва заметен — всего 5–10%, что считалось скорее погрешностью, чем прорывом. Нынешняя работа — это гигантский качественный скачок, который доказывает, что эффект не просто существует, а его можно измерить с большой точностью.
Сегодня для отвода тепла чаще всего используют медные радиаторы, тепловые трубки или жидкое охлаждение. У них отличная теплопроводность, но они громоздкие и не дают направленного контроля. Есть также термоэлектрические охладители на эффекте Пельтье, но их КПД низок. Новая разработка выигрывает в компактности и возможности перенаправлять тепло в нужную сторону прямо внутри чипа. Однако по абсолютной теплопроводности керамика пока уступает чистому металлу, так что радиаторы с нее не сделаешь — она предназначена для точечного управления, а не для отвода огромных мощностей.
Самое большое ограничение — это воспроизводимость. Эффект в 300% получен на уникальных кристаллах высокого качества, которые сложно выращивать в промышленных масштабах. При малейшем дефекте решетки прирост падает в разы. Также пока неизвестно, как долго сохраняется «поляризация» материала и не «разряжается» ли он со временем, теряя свои уникальные свойства. В статье это не указано, и это может стать серьезным препятствием для создания коммерческих устройств. Авторы склонны преувеличивать практическую пользу, умалчивая о дороговизне и сложности масштабирования.
Ранее ученые выяснили, почему тепло не терпит совершенства.