Wissenschaftler haben das Geheimnis hinter einer als Ferroelektrika bekannten Eigenschaft fester Materialien entdeckt, die zeigen, dass Quasiteilchen, die sich in wellenförmigen Mustern zwischen vibrierenden Atomen bewegen, genug Wärme transportieren, um das Material in einen thermischen Schalter zu verwandeln, wenn ein elektrisches Feld von außen angelegt wird.
Ein wichtiges Ergebnis der Studie ist, dass diese Kontrolle der Wärmeleitfähigkeit eher auf die Struktur des Materials als auf zufällige Kollisionen zwischen Atomen zurückzuführen ist. Insbesondere beschreiben die Forscher Quasiteilchen namens Ferrone, deren Polarisation sich ändert, wenn sie zwischen vibrierenden Atomen „wackeln“ – und es ist dieses geordnete Wackeln und Polarisieren, das für das von außen angelegte elektrische Feld empfänglich ist, das die Fähigkeit des Materials bestimmt, die Wärme mit einer anderen Geschwindigkeit zu übertragen .
„Wir haben herausgefunden, dass diese Positionsänderung dieser Atome und die Änderung der Art der Schwingungen Wärme transportieren müssen, und daher muss das externe Feld, das diese Schwingung ändert, die Wärmeleitfähigkeit beeinflussen“, sagte der leitende Autor Joseph Heremans, Professor in Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, Materialwissenschaft und -technik sowie Physik an der Ohio State University.
„Die Leute neigen dazu zu glauben, Atomschwingungen seien eine gegebene Tatsache und reagieren nicht auf ein elektrisches oder magnetisches Feld. Und wir sagen, dass man sie mit einem elektrischen Feld beeinflussen kann.“
Durch die Verwendung eines einfachen externen elektrischen Stimulus kann die Wärmeleitfähigkeit in dieser Art von Material bei Raumtemperatur geändert werden, anstatt bei den extrem niedrigen Temperaturen, die erforderlich sind, um die meisten Kandidatenmaterialien für Festkörper-Wärmeschalter zu steuern, was die Möglichkeiten für echte Weltanwendungen der Technologie, sagen die Forscher.
Die Studie wird heute (01.02.2023) im Journal veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.
Das in der Studie verwendete Material ist eine übliche Blei-Zirkonium-Titanat-Keramik, die zu einer Klasse von Materialien gehört, die als Piezoelektrika bezeichnet werden und die ihre Form ändern, wenn ein elektrisches Feld an sie angelegt wird, oder eine elektrische Ladung unter mechanischer Belastung erzeugen.
Ferroelektrika, eine Untergruppe der Piezoelektrika, sind Materialien, bei denen die elektrischen Ladungen auf den Atomen spontan elektrische Dipole bilden können, die sich alle in die gleiche Richtung ausrichten, wodurch eine sogenannte Polarisation entsteht. Diese Dipole können durch ein äußeres elektrisches Feld geschaltet werden.
Bis jetzt hatten Wissenschaftler nicht offiziell niedergeschrieben, wie sich diese Polarisation bewegt, wenn Wärme zugeführt wird. In diesem neuen Artikel wird diese Bewegung durch die Einführung des Quasiteilchens – Ferron genannt – beschrieben, das gleichzeitig Polarisations- und Wärmewellen trägt. Das Ferron reagiert empfindlich auf ein externes elektrisches Feld, und das bedeutet, dass das Anlegen eines externen elektrischen Felds das Material in einen Wärmeschalter verwandeln kann.
„Das Quasiteilchen war schon immer da. Es wurde nur nicht identifiziert und gemessen“, sagte Erstautorin Brandi Wooten, Ph.D. Student in Materialwissenschaft und -technik an der Ohio State.
Wooten verglich das Verhalten von Ferronen mit einer Stadionwelle, wobei jeder Sportfan eine Zelle aus Atomen darstellt, die in einem Kristall gesammelt sind.
„Sie haben all diese Atome, und sie haben diesen speziellen Dipol – ein Atom mit einer elektrischen Ladung, das sich auf und ab bewegt, erzeugt einen Dipol. Sie können sich vorstellen, dass die Hände der Menschen, die nach oben gehen und die Welle machen, die Stärke des Dipols sind – wenn ihre Hände oben sind , es ist wirklich stark. Wenn sie ein bisschen unten sind, ist es schwächer, und wenn sie ganz unten sind, ist es negativ “, sagte sie. „Das ist die Stärke des Dipols. Wir haben festgestellt, dass diese speziellen Wellen sowohl Wärme als auch Polarisation transportieren, und wir haben sie Ferrone genannt.“
Diese Wärmeübertragungseigenschaft wird durch das elektrische Feld durch ein Phänomen induziert, das als piezoelektrische Dehnung bekannt ist: Das Gitter zieht sich zusammen oder dehnt sich, wenn die Spannung angelegt wird, wobei sich Atome und Kräfte zwischen ihnen hin und her bewegen und letztendlich die mechanischen Eigenschaften des Materials verändern und infolgedessen seine Wärmeleitfähigkeit verändert, sagte Heremans, ebenfalls ein angesehener Gelehrter in Nanotechnologie aus Ohio.
„Das Ferron ist auch empfindlich gegenüber Dehnungen im Festkörper. Da das Ferron Wärme transportiert, ist die transportierte Wärmemenge vom elektrischen Feld abhängig“, sagte er. „Also haben wir eine neue Theorie geschrieben, die ein externes elektrisches Feld, die Spannung, die es in einem Ferroelektrikum induziert, und letztendlich, wie diese Spannung die Wärmeleitfähigkeit beeinflusst, in Beziehung setzt.“
Die Theorie ist prädiktiv, sodass Forscher sie jetzt verwenden können, um Materialien zu finden, bei denen der Effekt viel größer ist, was letztendlich zu Materialien führt, bei denen er groß genug ist, um in Wärmeschaltern in alltäglichen Anwendungen wie dem Sammeln von Solarenergie verwendet zu werden.
Das Anlegen eines elektrischen Felds an das Material erzeugte einen Unterschied von 2 % zwischen maximaler und minimaler Leitfähigkeit – wie es die neue Theorie vorhersagte. Eine Reihe von Experimenten zur Quantifizierung der Atomschwingungen durch Messung der Geschwindigkeit der Schallwellen des Materials sowie der Gleichgewichts- und Transporteigenschaften bestätigten, „dass dies alles nur von der Materialstruktur abhängt und nicht unbedingt davon, was die Schwingungen streut“, sagte Wooten.
Die Forscher untersuchen jetzt andere Materialien, die diese Änderung der Wärmeleitfähigkeit um bis zu 15 % erhöhen könnten, wie die neue Theorie vorhersagt.
„Jede Anwendung hängt davon ab, dass wir ein Material finden, bei dem die Wirkung viel größer ist“, sagte Heremans. „Wir suchen nach Materialien, die die richtigen Parameter haben.“
Weitere Co-Autoren sind Ryo Iguchi und Ken-ichi Uchida vom National Institute for Materials Science in Japan; Ping Tang und Gerrit Bauer von der Tohoku-Universität; und Joon Sang Kang aus dem Bundesstaat Ohio.
Mehr Informationen:
Brandi Wooten et al, Vom elektrischen Feld abhängiges Phononenspektrum und Wärmeleitung in Ferroelektrika, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.add7194.