Un champ électrique module les vibrations pour faciliter le transfert de chaleur

Une nouvelle recherche du Oak Ridge National Laboratory du département de l’Énergie, en collaboration avec l’Université d’État de l’Ohio et Amphenol Corporation, remet en cause la compréhension conventionnelle du contrôle du flux de chaleur dans les matériaux solides. 

L’étude, publiée dans PRX Energy, montre que l’application d’un champ électrique à un matériau céramique modifie le comportement des phonons (minuscules vibrations qui transportent la chaleur). Les phonons dont les atomes se déplacent dans la direction du champ (direction de polarisation) durent plus longtemps que ceux dont les atomes se déplacent perpendiculairement au champ. En conséquence, le matériau conduit la chaleur presque trois fois plus efficacement dans la direction du champ que dans les directions perpendiculaires. Cette approche prometteuse pourrait conduire à de nouveaux dispositifs à l’état solide qui contrôlent le flux de chaleur dans les technologies du quotidien.

« Pouvoir contrôler à la fois la vitesse et la manière dont la chaleur circule pourrait conduire à des dispositifs qui gèrent l’énergie thermique bien plus efficacement », explique Puspa Upreti, chercheuse postdoctorale à l’ORNL.

Le contrôle du flux de chaleur est important pour les systèmes hautes performances tels que les refroidisseurs électroniques modernes sans pièces mobiles, les convertisseurs d’énergie qui transforment la chaleur en électricité, les circuits à puces utilisés dans les technologies du quotidien et les systèmes de cogénération, qui capturent et réutilisent la chaleur industrielle. Réguler la chaleur dans ces systèmes crée les conditions optimales pour une efficacité et une performance maximales.

Le lien entre l’efficacité et le flux de chaleur est illustré par le cycle de Carnot, un modèle idéalisé de moteur thermique qui établit l’efficacité maximale possible en contrôlant précisément le transfert de chaleur entre les réservoirs chauds et froids. Dans cette étude, l’application d’un champ électrique supprime les barrières au transport des phonons. Cela permet aux vibrations de parcourir de plus longues distances, un peu comme réduire le trafic sur une route encombrée, et améliore la conduction thermique le long de la direction du champ électrique, ce qui conduit à une meilleure efficacité.

Les expériences ont eu lieu à la Spallation Neutron Source, une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE gérée par l’ORNL. Les chercheurs ont utilisé des techniques avancées de diffusion inélastique des neutrons pour capturer à la fois l’arrangement statique des atomes (structure) et leurs mouvements (dynamique). Les neutrons aident les scientifiques à voir exactement où se trouvent les atomes dans le matériau et comment ils bougent, un concept reconnu dans les travaux primés par le Nobel de Clifford Shull et Bertram Brockhouse.

L’ensemble de données détaillé de la Spallation Neutron Source offre une compréhension claire de la façon dont l’ajustement du champ électrique accélère non seulement les phonons, mais prolonge également leur durée de vie, ce qui est essentiel pour développer de futures méthodes de gestion de la chaleur.

L’étude s’est concentrée sur un type particulier de céramique appelée ferroélectrique à base de relaxeur. Lorsque ces céramiques sont exposées à un champ électrique, de minuscules charges électriques à l’intérieur s’alignent. Cet alignement réduit la diffusion des vibrations transporteuses de chaleur, permettant à l’énergie de circuler plus efficacement. Les cristaux utilisés dans cette étude ont été soigneusement cultivés puis soumis au champ électrique, ou « polarisés », par Raffi Sahul chez Amphenol Corporation. Le travail a produit des solides qui permettent un contrôle précis du flux d’énergie.

Le chercheur principal de l’ORNL, Michael Manley, a conçu et dirigé les expériences de diffusion inélastique des neutrons avec le membre senior du personnel R&D de l’ORNL, Raphaël Hermann. « Les travaux antérieurs sur les matériaux ferroélectriques massifs ont obtenu des améliorations modestes de la conductivité thermique de 5 à 10 %, tandis que les nouvelles mesures révèlent une augmentation proche de 300 % — principalement parce que les phonons peuvent parcourir une distance bien plus longue avant de s’arrêter », affirme Manley.

En intégrant leurs mesures de conductivité thermique avec les données de diffusion des neutrons, les chercheurs ont directement relié les changements du flux de chaleur au comportement des vibrations atomiques dans le cristal. Le regretté professeur Joseph Heremans de l’Ohio State a conçu les expériences de conductivité thermique et a guidé la candidate au doctorat Delaram Rashadfar dans l’interprétation des données. « Alors que les travaux antérieurs nous laissaient espérer un effet modeste, observer une différence par trois s’est avéré être un résultat significatif », déclare Rashadfar. « Le professeur Heremans a toujours souligné l’importance de faire d’abord confiance aux données et de laisser la théorie suivre. »

Article : Electric Field Control of Phonon Lifetimes and Thermal Conductivity in Relaxor-Based Ferroelectric – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : DOE/OAK