Revolúcia v riadení tepla. Vedci zvýšili efektivitu o 300 % a otvorili cestu k výkonnejším zariadeniam

Moderné elektronické zariadenia sú čoraz výkonnejšie a s rastúcim výkonom rastie aj jeden z ich najväčších technických problémov a to, ako efektívne materiály dokážu teplo odvádzať alebo naopak udržať.

Nadmerné zahrievanie totiž môže výrazne znižovať výkon polovodičových čipov, skracovať životnosť elektronických komponentov a zároveň predstavuje jeden z limitov ďalšieho technologického pokroku v oblasti výpočtovej techniky, energetiky či priemyselných systémov.

Vedci z amerického Oak Ridge National Laboratory teraz predstavili objav, ktorý by mohol zásadne zmeniť spôsob riadenia tepelnej energie v pevných materiáloch. Pomocou elektrického poľa sa im podarilo ovplyvniť správanie atómových vibrácií v špeciálnom keramickom materiáli tak, že prenos tepla sa zvýšil takmer o 300 percent. O výsledkoch výskumu informuje portál Interesting Engineering.

Elektrické pole mení tok tepla

Výskumný tím z Oak Ridge National Laboratory spolupracoval aj s vedcami z The Ohio State University a spoločnosti Amphenol Corporation. Ich experiment ukázal, že tok tepla v pevnom materiáli možno výrazne meniť pomocou elektrického poľa, ktoré ovplyvňuje správanie tzv. fonónov.

Fonóny predstavujú kvantované vibrácie atómov v kryštalickej mriežke materiálu a práve tieto vibrácie prenášajú tepelnú energiu. Ak sa ich pohyb podarí kontrolovať, je možné riadiť aj to, ako rýchlo a akým smerom sa teplo šíri.

Vedci zistili, že po aplikovaní elektrického poľa sa fonóny pohybujúce sa v jeho smere dokážu šíriť ďalej a pretrvávajú dlhšie než vibrácie v iných smeroch. V dôsledku toho sa tepelná energia začína prenášať výrazne efektívnejšie pozdĺž smeru elektrického poľa.

„Schopnosť riadiť nielen rýchlosť, ale aj spôsob šírenia tepla môže viesť k zariadeniam, ktoré budú spravovať tepelnú energiu oveľa efektívnejšie,“ uviedla výskumníčka Puspa Upreti z Oak Ridge National Laboratory.

Fontech.sk

Podľa vedcov ide o výrazný pokrok oproti predchádzajúcim experimentom. V minulosti sa totiž pri podobných materiáloch podarilo zvýšiť tepelnú vodivosť len približne o 5 až 10 percent. Nový prístup však dosiahol zlepšenie takmer o 300 percent, čo predstavuje zásadný skok v oblasti riadenia tepelného transportu.

Výskumníci tento efekt potvrdili kombináciou meraní tepelnej vodivosti a pokročilých neutrónových experimentov. Tie prebiehali v zariadení Spallation Neutron Source v Oak Ridge National Laboratory, ktoré patrí medzi najvýkonnejšie neutrónové výskumné zariadenia na svete.

Pomocou rozptylu neutrónov dokázali vedci sledovať nielen štruktúru materiálu, ale aj pohyb atómov v kryštálovej mriežke. Práve tieto merania umožnili presne určiť, ako sa správanie fonónov mení po aplikovaní elektrického poľa.

Inteligentná keramika

Experiment sa zameral na špeciálny typ tzv. feroelektrickej keramickej látky relaxorového typu. V takýchto materiáloch elektrické pole dokáže usporiadať malé elektrické náboje v kryštálovej štruktúre.

Toto usporiadanie následne znižuje rozptyl fonónov a umožňuje im pohybovať sa cez materiál efektívnejšie. Výsledkom je výrazne vyššia tepelná vodivosť v smere elektrického poľa.

Vedci zároveň pozorovali potlačenie nanoskopických antiferroelektrických fluktuácií v materiáli, čo podľa nich predlžuje životnosť fonónov a umožňuje efektívnejší prenos energie.

Schopnosť presne riadiť tok tepla by mohla mať veľký význam pre množstvo moderných technológií. Patrí medzi ne napríklad chladenie elektronických zariadení bez pohyblivých častí, energetické systémy premieňajúce teplo na elektrinu, polovodičové obvody alebo priemyselné systémy na využívanie odpadového tepla.

Efektívne riadenie tepelnej energie je totiž jednou z hlavných výziev pri vývoji výkonných procesorov, batérií či energetických zariadení novej generácie. Výsledky výskumu boli publikované v odbornom vedeckom časopise PRX Energy a podľa vedcov predstavujú nový prístup k vývoju technológií, ktoré dokážu aktívne riadiť šírenie tepla v pevných materiáloch.

V budúcnosti by tak mohli vzniknúť nové typy inteligentných materiálov, ktoré budú schopné dynamicky regulovať tok tepelnej energie v elektronických a energetických systémoch.

Čítajte viac z kategórie: Novinky