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.
Исследователи показали, как обычный керамический материал может изменить свою теплопроводность в ответ на воздействие электрического поля, открыв дверь для твердотельных тепловых переключателей, которые могли бы сделать термоэлектрические генераторы намного более эффективными.
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 твердое тело, их чрезвычайно трудно предсказать, поскольку движение каждой из них напрямую зависит от всех остальных в массивно-хаотической задаче о множестве тел.
Но, несмотря на безумную сложность, в этих системах есть наблюдаемые эмерджентные* паттерны, которые ведут себя гораздо проще, как если бы они были частицами, не взаимодействующими со всем, что их окружает.
Исследователи обнаружили их некоторое количество 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 данном 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, 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.
Исследователи 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 изменение положения этих атомов и изменение характера колебаний должно нести тепло, и поэтому внешнее поле, которое изменяет эту вибрацию, должно влиять на теплопроводность», — сказал Джозеф Хереманс, профессор механики и старший автор нового исследования.
«Феррон также чувствителен к деформации в твердом теле», — продолжил он. «Поскольку феррон переносит тепло, это делает количество переносимого тепла зависимым от электрического поля. Поэтому мы создали новую теорию, которая связывает внешнее электрическое поле, напряжение, которое оно вызывает в сегнетоэлектрике, и, в конечном счете, как это напряжение влияет на теплопроводность».
Тестирование подтвердило их прогнозы — хотя и в довольно мягком эффекте. Приложение электрического поля к керамике дало 2%-ную разницу между ее максимальной и минимальной теплопроводностью. «Любое применение зависит от того, найдем ли мы материал, в котором эффект будет намного больше», — сказал Джозеф Хереманс. «Мы ищем материалы с нужными параметрами». Теория предсказывает, что будут другие материалы, способные изменять теплопроводность на целых 15%.
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.
Все 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», — говорят ученые. «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».
Статья была опубликована в журнале Science Advances.
*Эмерджентность — наличие у системы свойств, не присущих её компонентам по отдельности; несводимость свойств системы к сумме свойств её компонентов.