美國的科學家最近發現了一種利用電場來改善材料熱流的方法。來自橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的團隊，與俄亥俄州立大學及安費諾公司（Amphenol Corporation）的科學家合作，發現這一新方法能夠通過電場來控制固體材料中的熱流。他們揭示，將電場施加於特殊的陶瓷材料上，可以改變攜帶熱量的原子微震動（phonons）的行為。
當施加電場時，沿著電場方向移動的 phonons 會比其他方向的 phonons 更加持久且行進得更遠，從而使熱量能夠更有效地通過材料流動，效率幾乎提升了三倍。這一技術提供了一種強大的方式來管理先進技術中的熱能，ORNL 的博士後研究助理 Puspa Upreti 表示，能夠控制熱流的速度和方式，可能會導致更高效的熱能管理設備的誕生。
在現代電子冷卻裝置、能量轉換器、日常技術中使用的芯片電路以及能夠捕捉和再利用工業熱量的聯合發電系統等高性能系統中，控制熱流至關重要。根據新聞稿，這些系統中對熱量的調節能夠創造出最佳效率和性能的條件。
研究人員報告指出，之前對類似材料的研究通常僅能提升約 5% 至 10% 的熱導率，而這種新方法的增強效果接近 300%。通過結合中子散射數據與熱導率測量，研究人員將改善的熱流直接與在晶格中持久存在的 phonons 聯繫起來。這一突破可能促成新的固態技術，能夠在電子設備、能量轉換裝置、芯片電路及回收廢熱的工業系統中高效管理熱量。
實驗在 ORNL 的中子源進行，科學家利用先進的中子散射技術來觀察材料內部的原子結構及其運動。中子技術使研究人員能夠準確測量當施加電場時原子震動的變化。這項研究集中於一種稱為放鬆基鐵電材料的「智能」陶瓷。在這些材料中，施加電場會使晶體結構中的小電荷對齊，從而減少攜帶熱量的震動的散射，這種對齊能使能量更平穩地流過材料，大幅提升熱導率。
這項研究發表在 PRX Energy，顯示在廣泛的温度範圍內，施加電場對放鬆基鐵電材料中的 phonon 運輸產生的顯著變化。研究還觀察到沿著極化方向的納米級反鐵電波動被抑制，並推測這增加了 phonon 的壽命。研究人員指出，這一結果突顯出了一條有前景但尚待開發的實際固態熱開關路徑，通過改變無序功能材料中 phonon 的壽命而實現電場修飾的納米結構。
