控制热流对于高性能系统至关重要。

美国科学家发现了一种利用电场改善材料中热流的方法。

来自橡树岭国家实验室（ORNL）的研究团队与俄亥俄州立大学和安费诺公司的科学家合作，发现这种新方法通过使用电场来控制固体材料中的热流。

他们揭示，对一种特殊的陶瓷材料施加电场，可以改变声子——即通过材料传递热量的原子微小振动——的行为。

热量通过材料的效率几乎提高了两倍

当施加电场时，沿电场方向运动的声子比沿其他方向运动的声子持续时间更长，传播距离更远。其结果是，热量可以沿电场方向通过材料的效率提高近三倍，这为先进技术中的热能管理提供了一种强大的方法。

ORNL博士后副研究员普斯帕·乌普雷蒂表示："能够控制热流的速度和方式，可能会催生更高效管理热能的设备。"

控制热流对于高性能系统至关重要，例如无移动部件的现代电子冷却器、将热量转化为电能的能量转换器、日常技术中使用的基于芯片的电路，以及捕获和再利用工业废热的热电联产系统。根据一份新闻稿，调节这些系统中的热量可以为峰值效率和性能创造合适条件。

新方法实现了效率提升

科学家报告称，早期对类似材料的研究通常只能将导热率提高约5-10%，但这种新方法实现了近300%的提升。通过将中子散射数据与热导率测量相结合，研究人员直接将热流的改善与在晶体晶格中传播时间更长的声子联系起来。这一突破可能会催生新的固态技术，从而在电子产品、能量转换设备、基于芯片的电路以及回收废热的工业系统中有效管理热量。

实验在ORNL的散裂中子源进行，科学家们使用先进的中子散射技术观察了材料内部的原子结构和原子运动。中子使研究人员能够精确测量施加电场时原子振动的变化。

这项研究的重点是一种被称为"智能"陶瓷的材料，即基于弛豫体的铁电体。在这些材料中，施加电场会使晶体结构内的微小电荷排列整齐，从而减少携带热量的振动的散射。这种排列使能量能够更顺畅地流过材料，显著提高导热率。

该研究发表在《PRX Energy》期刊上，该研究通过使用中子散射和输运测量，揭示了在宽温度范围内对基于弛豫体的铁电体施加电场，声子输运会发生的显著变化。

研究人员在研究中指出："我们还观察到沿极化方向的纳米尺度反铁电涨落受到抑制，并认为这增加了声子寿命。我们的结果突显了一条有前景但尚未充分探索的途径，即通过电场修饰的纳米结构改变无序功能材料中的声子寿命，从而实现实际的固态热开关。"

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