Naukowcy udowadniają istnienie półprzewodnikowych przełączników ciepła
DepositphotosNaukowcy z Ohio State wykazali, w jaki sposób zwykły materiał ceramiczny może zmienić swoją przewodność cieplną w odpowiedzi na pole elektryczne, otwierając drzwi do półprzewodnikowych przełączników ciepła, które mogłyby uczynić generatory termoelektryczne znacznie bardziej wydajnymi.
Odkrycie zostało oparte na użytecznej, ale mylącej idei kwazicząstek, które zachowują się tak, jakby istniały, ale tak naprawdę nie istnieją. W ciele stałym są tylko trzy rodzaje cząstek: protony, neutrony i elektrony. Kiedy te cząstki są upakowane razem w ciele stałym, są niezwykle trudne do przewidzenia, ponieważ na ruch każdej z nich bezpośrednio wpływają wszystkie pozostałe w w masowo chaotycznym problemie wielociałowym.
Jednak pomimo tej szalonej złożoności, istnieją obserwowalne wzory emergentne w tych systemach, które zachowują się w znacznie prostszy sposób, tak jakby były to cząstki, które nie oddziałują ze wszystkim wokół. Naukowcy znaleźli wiele z nich w różnych układach i nazwali je quasi-cząstkami. Są to efektywne narzędzia matematyczne, które pozwalają naukowcom pracować z prostymi wzorcami zachowań, które wynikają z chaotycznych systemów.
Istotną kwazicząstką w tym przypadku jest ferron, który teoretycznie występuje w materiałach ferroelektrycznych, podzbiorze materiałów piezoelektrycznych. Piezoelektryki to materiały, które generują napięcie zmienne, gdy są poddawane wibracjom lub naprężeniom, lub które wibrują, gdy są poddawane zewnętrznemu napięciu zmiennemu. Niektóre mikrofony wykorzystują elementy piezoelektryczne do przekształcania fal dźwiękowych w sygnały elektryczne. Ferroelektryki są piezoelektrykami, które wykazują również polaryzację elektryczną, która może być odwrócona przez przyłożenie pola elektrycznego.
Ferrony, podobnie jak inne kwazicząstki, nie istnieją. Ale opisują fale poruszające się przez materiały ferroelektryczne niosące zarówno ciepło, jak i polaryzację, które rozchodzą się w przewidywalny sposób, nawet jeśli rzeczywistość każdej cząstki w matrycy jest znacznie bardziej skomplikowana.
Naukowcy z Ohio State przewidzieli, a następnie starali się potwierdzić zachowanie ferronów, używając jako swojego ferroelektryka powszechnie stosowanej ceramiki z cyrkonu tytanu ołowiu. Ich teoria: gdy pole elektryczne jest wykorzystywane do wywoływania drgań piezoelektrycznych w materiale ferroelektrycznym, wibracje te modyfikowałyby przewodność cieplną materiału.
– Zorientowaliśmy się, że zmiana położenia tych atomów, oraz zmiana charakteru drgań, musi przenosić ciepło, a zatem zewnętrzne pole, które zmienia te drgania, musi wpływać na przewodnictwo cieplne – powiedział w komunikacie prasowym Joseph Heremans, profesor inżynierii mechanicznej i lotniczej, nauki o materiałach i inżynierii oraz fizyki. – Ferron jest również wrażliwy na odkształcenia w ciele stałym – kontynuował. – Ponieważ ferron przenosi ciepło, to sprawia, że ilość przenoszonego ciepła zależy od pola elektrycznego. Stworzyliśmy więc nową teorię, która odnosi się do zewnętrznego pola elektrycznego, odkształcenia, jakie wywołuje ono w ferroelektryku i ostatecznie do tego, jak to odkształcenie wpływa na przewodnictwo cieplne.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Testy potwierdziły ich przewidywania - aczkolwiek w dość łagodnym efekcie. Przyłożenie pola elektrycznego do ceramiki spowodowało 2% różnicę pomiędzy jej maksymalną i minimalną przewodnością cieplną.
– Jakiekolwiek zastosowanie zależy od tego, czy znajdziemy materiał, w którym efekt będzie znacznie większy – powiedział Heremans.– Szukamy materiałów, które mają odpowiednie parametry.
Teoria przewiduje, że pojawią się inne materiały zdolne do zmiany przewodności cieplnej nawet o 15%.
Potencjalnym rezultatem jest tu nowy typ przełącznika ciepła, który działa bez ruchomych części w całym zakresie temperatur. Większość obecnych technologii opiera się na zaworach mechanicznych, które z czasem ulegają awarii, lub też wymagają bardzo niskich lub bardzo specyficznych temperatur, aby wykazać jakiekolwiek użyteczne efekty.
Może to doprowadzić do radykalnego skoku wydajności systemów termoelektrycznych, które przekształcają ciepło w energię elektryczną.
– Wydajność termodynamiczna obwodu wytwarzania energii elektrycznej zależy krytycznie od różnicy temperatur pomiędzy gorącymi i zimnymi zbiornikami termicznymi – powiedział Heremans w wywiadzie dla IEEE Spectrum. – Dzięki przełącznikowi ciepła i systemowi magazynowania ciepła możliwe jest utrzymanie temperatury czynnika magazynującego znacznie powyżej średniej temperatury gorącego źródła i blisko jego maksimum, co może aż podwoić sprawność termiczną układu.
Źródło: Ohio State via IEEE Spectrum
