Enerji Bakanlığı'na bağlı Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı (ORNL) araştırmacıları, Ohio State Üniversitesi ve Amphenol Corporation ile birlikte çalışarak katı malzemelerde ısının nasıl hareket ettiğini kontrol etmenin yeni bir yolunu keşfetti. Bulgular, ısı taşınımıyla ilgili uzun süredir kabul gören varsayımları sorgulatıyor ve daha verimli soğutma sistemleri, enerji cihazları ve elektronik teknolojilerinin önünü açabilir.
PRX Energy dergisinde yayımlanan çalışma, özel bir seramiğe elektrik alanı uygulamanın, ısı taşımaktan sorumlu atomik titreşimler olan fononların davranışını değiştirdiğini ortaya koydu. Atomlar elektrik alanıyla (poling yönü) aynı yönde titreştiğinde, bu fononlar diğer yönlerdeki titreşimlere kıyasla çok daha uzun süre dayanıyor. Bunun sonucunda, ısı elektrik alanı yönünde diğer yönlere göre neredeyse üç kat daha verimli bir şekilde iletilmiş oluyor.
ORNL doktora sonrası araştırma görevlisi Puspa Upreti, “Isının ne kadar hızlı ve hangi yönde aktığını kontrol edebilmek, termal enerjiyi çok daha verimli yöneten cihazlar geliştirmemizi sağlayabilir” dedi.
Isı Kontrolü Neden Önemli?
Isıyı verimli bir şekilde yönlendirebilmek, birçok ileri teknoloji için hayati önem taşıyor. Bunlar arasında hareketli parçası olmayan katı hal elektronik soğutma sistemleri, ısıyı elektriğe dönüştüren cihazlar, çip tabanlı elektronikler ve endüstriyel süreçlerden kaynaklanan atık ısıyı yakalayıp yeniden kullanan kojenerasyon sistemleri yer alıyor.
Isı transferini daha iyi kontrol etmek, hem performansı hem de enerji verimliliğini artırabiliyor. Bu kavram, bir ısı motorunun maksimum teorik verimini tanımlayan idealize edilmiş bir model olan Carnot çevrimi ile örneklendiriliyor. Bu model, ısının sıcak ve soğuk bölgeler arasındaki hareketini dikkatlice düzenleyerek çalışıyor.
Yeni çalışmada, elektrik alanı normalde fononların hareketini engelleyen engelleri azalttı. Bu sayede ısı taşıyan titreşimler malzeme içinde çok daha uzağa gidebildi; tıpkı yoğun bir otoyoldaki trafiğin rahatlatılması gibi. Bu da elektrik alanı yönünde çok daha verimli bir ısı iletimi sağladı.
Nötron Deneyleri Atomik Hareketi Ortaya Çıkarıyor
Malzemenin içinde tam olarak neler olduğunu anlamak için ekip, ORNL tarafından işletilen ve DOE Bilim Ofisi kullanıcı tesisi olan Spallation Nötron Kaynağı'nda deneyler gerçekleştirdi.
Araştırmacılar, gelişmiş esnek olmayan nötron saçılımı tekniklerini kullanarak kristal içindeki atomların konumlarını ve bu atomların nasıl hareket ettiğini gözlemledi. Nötronlar, bir malzemenin hem yapısını hem de atomik dinamiklerini ortaya çıkarabildikleri için bu tür analizler için benzersiz bir şekilde uygun. Bu yöntemler, Clifford Shull ve Bertram Brockhouse'un Nobel Ödülü kazanan çalışmalarıyla tanınan tekniklere dayanıyor.
Ölçümler, elektrik alanı uygulamanın yalnızca fononların hızını artırmakla kalmayıp, aynı zamanda saçılmadan önce ne kadar süre hayatta kaldıklarını da önemli ölçüde uzattığını gösterdi. Bu daha uzun ömürler, malzemenin ısı iletiminde bu kadar başarılı olmasının temel nedenlerinden biri.
Olağanüstü Isı Transferine Sahip Bir Seramik
Araştırmacılar, gevşetici tabanlı ferroelektrikler olarak bilinen bir seramik sınıfına odaklandı. Bu malzemeler bir elektrik alanına maruz bırakıldığında, içlerindeki küçük elektrik yükleri hizalanıyor. Bu hizalanma, ısı taşıyan fononların saçılımını azaltarak termal enerjinin kristal içinde çok daha verimli hareket etmesini sağlıyor.
Deneylerde kullanılan kristaller, Amphenol Corporation'dan Raffi Sahul tarafından özenle büyütüldü ve ardından elektrik alanına maruz bırakıldı (poling işlemi). Ortaya çıkan malzemeler, oldukça kontrol edilebilir bir ısı taşınımı sergiledi.
ORNL kıdemli araştırmacısı Michael Manley, esnek olmayan nötron saçılımı deneylerine ORNL kıdemli Ar-Ge personeli Raphaël Hermann ile birlikte liderlik etti.
Manley, “Daha önceki toplu ferroelektrik malzemeler üzerinde yapılan çalışmalar, termal iletkenlikte yüzde 5 ila 10 arasında mütevazı iyileştirmeler elde etmişti. Oysa yeni ölçümler yüzde 300'e yakın bir artış ortaya koyuyor. Bunun temel nedeni, fononların durmadan önce çok daha uzun mesafeler kat edebilmesi” dedi.
Üç Kat Artış Araştırmacıları Şaşırttı
Ekip, termal iletkenlik ölçümlerini nötron saçılımı verileriyle birleştirerek, ısı akışındaki bu çarpıcı artışı doğrudan kristal içindeki atomik titreşimlerdeki değişikliklere bağlamayı başardı.
Ohio State Üniversitesi'nden merhum Profesör Joseph Heremans, termal iletkenlik deneylerini tasarladı ve doktora öğrencisi Delaram Rashadfar'a analiz sürecinde rehberlik etti.
Rashadfar, “Önceki çalışmalar bizi yalnızca mütevazı bir etki beklemeye yöneltmişti, bu nedenle üç katlık bir fark gözlemlemek oldukça önemli bir sonuç oldu. Profesör Heremans her zaman önce verilere güvenilmesi ve teorinin onu takip etmesi gerektiğini vurgulardı” ifadelerini kullandı.
Araştırma, DOE Temel Enerji Bilimleri programı ve diğer katkıda bulunan ortaklar tarafından desteklendi.
