전기 제어 하에서 열을 전달할 수 있는 준입자

[아름이]

전기 제어 하에서 열을 전달할 수 있는 준입자
과학자들은 강유전체의 이론적 특성을 예측하고 확인합니다.
날짜:
2023년 2월 1일
원천:
오하이오 주립대학교
요약:
과학자들은 진동하는 원자 사이에서 파동과 같은 패턴으로 움직이는 준입자가 외부에서 전기장이 가해질 때 물질을 열 스위치로 전환하기에 충분한 열을 전달한다는 것을 보여 주는 강유전체로 알려진 고체 물질의 특성 뒤에 숨은 비밀을 발견했습니다.

전체 이야기
과학자들은 진동하는 원자 사이에서 파동과 같은 패턴으로 움직이는 준입자가 외부에서 전기장이 가해질 때 물질을 열 스위치로 전환할 수 있는 충분한 열을 전달한다는 것을 보여 주는 강유전체로 알려진 고체 물질의 특성 뒤에 숨은 비밀을 발견했습니다.

이 연구의 주요 발견은 이러한 열전도도 제어가 원자 간의 무작위 충돌이 아니라 재료의 구조에 기인한다는 것입니다. 구체적으로 연구원들은 진동하는 원자 사이에서 "흔들림"에 따라 분극이 변하는 페론(ferron)이라고 불리는 준입자를 설명합니다. 비율.

"우리는 이러한 원자의 위치 변화와 진동 특성의 변화가 열을 전달해야 하며 따라서 이 진동을 변화시키는 외부 장이 열전도율에 영향을 미친다는 것을 알아냈습니다."라고 수석 저자인 Joseph Heremans 교수는 말했습니다. 오하이오 주립 대학에서 기계 및 항공 우주 공학, 재료 과학 및 공학, 물리학을 전공했습니다.

"사람들은 원자 진동이 주어진 사실이고 전기장이나 자기장에 반응하지 않는다고 생각하는 경향이 있습니다. 그리고 우리는 당신이 전기장으로 그것들에 영향을 미칠 수 있다고 말하고 있습니다."

간단한 외부 전기 자극을 사용하여 이러한 유형의 재료의 열전도율은 고체 열 스위치에 대한 대부분의 후보 재료를 제어하는 ​​데 필요한 극도로 낮은 온도가 아닌 실온에서 변경할 수 있으므로 실제 가능성을 향상시킵니다. 이 기술의 세계적 적용이라고 연구원들은 말한다.

이 연구는 Science Advances 저널에 오늘(2023년 2월 1일) 게재되었습니다 .

연구에 사용된 재료는 전기장이 가해질 때 모양이 바뀌거나 기계적 응력 하에서 전하를 생성하는 압전이라고 하는 재료 종류에 속하는 일반적인 납 지르코늄 티타네이트 세라믹입니다.

압전 소자의 하위 집합인 강유전체는 원자의 전하가 모두 동일한 방향으로 정렬되는 전기 쌍극자를 자발적으로 형성하여 분극이라고 알려진 것을 형성할 수 있는 물질입니다. 이 쌍극자는 외부 전기장에 의해 전환될 수 있습니다.

지금까지 과학자들은 열이 가해질 때 이 분극이 어떻게 움직이는지 공식적으로 기록하지 않았습니다. 이 새로운 기사에서 이 운동은 편광파와 열을 동시에 전달하는 페론(ferron)이라고 하는 준입자를 도입하여 설명합니다. 페론은 외부 전기장에 민감하므로 외부 전기장을 적용하면 재료가 열 스위치로 전환될 수 있습니다.

"준입자는 항상 거기에 있었습니다. 그것은 단지 확인되고 측정되지 않았을 뿐입니다.

Wooten은 ferron의 행동을 경기장의 물결에 비유했으며, 각 스포츠 팬은 결정에 함께 모인 원자 세포를 나타냅니다.

"당신은 이 모든 원자를 가지고 있고, 그들은 이 특별한 쌍극자를 가지고 있습니다. 위아래로 움직이는 전하를 가진 원자가 쌍극자를 만듭니다. 쌍극자의 힘으로 파동을 하는 사람들의 손을 생각할 수 있습니다. 만약 그들의 손이 상승하면 정말 강합니다. 조금 하락하면 약해지고 완전히 하락하면 부정적입니다."라고 그녀는 말했습니다. "그것이 쌍극자의 강점입니다. 우리는 이 특수한 파동이 열과 편극을 모두 전달한다는 것을 발견했고, 이를 페론이라고 명명했습니다."

이 열 전달 특성은 압전 변형으로 알려진 현상을 통해 전기장에 의해 유도됩니다. 전압이 가해지면 격자가 수축하거나 늘어나면서 원자와 힘이 앞뒤로 이동하여 궁극적으로 재료의 기계적 특성이 변경됩니다. 결과적으로 열전도도가 변한다고 오하이오의 나노기술 저명한 학자인 Heremans는 말했습니다.

"페론은 또한 고체의 변형에 민감합니다. 페론은 열을 전달하기 때문에 전달되는 열의 양은 전기장에 따라 달라집니다."라고 그는 말했습니다. "그래서 우리는 외부 전기장, 그것이 강유전체에 유도하는 변형, 그리고 궁극적으로 이 변형이 열 전도도에 미치는 영향에 관한 새로운 이론을 작성했습니다."

이 이론은 예측 가능하므로 연구자들은 이제 효과가 훨씬 더 큰 재료를 찾는 데 사용할 수 있으며 궁극적으로 태양열 수집과 같은 일상적인 응용 분야에서 열 스위치에 사용할 수 있을 만큼 충분히 큰 재료로 이어집니다.

재료에 전기장을 가하면 최대 전도도와 최소 전도도 사이에 2%의 차이가 발생했습니다. Wooten은 물질의 음파 속도와 평형 및 수송 특성을 측정하여 원자 진동을 정량화하는 일련의 실험에서 "이 모든 것이 진동을 산란시키는 것이 아니라 물질 구조에만 의존한다는 것을 확인했습니다."라고 말했습니다.

연구원들은 현재 새로운 이론이 예측한 대로 열전도도 변화를 최대 15%까지 증가시킬 수 있는 다른 재료를 연구하고 있습니다.

"모든 응용 프로그램은 효과가 훨씬 더 큰 재료를 찾는 데 달려 있습니다."라고 Heremans는 말했습니다. "우리는 올바른 매개변수를 가진 재료를 찾고 있습니다."

이 연구는 국립과학재단, 미 국방부, 일본과학진흥회, 일본과학기술청의 지원을 받았다.

추가 공동 저자로는 일본 국립 재료 과학 연구소의 Ryo Iguchi와 Ken-ichi Uchida가 있습니다. Tohoku 대학의 Ping Tang 및 Gerrit Bauer; 및 오하이오 주립의 강준상.

출처 : https://www.sciencedaily.com/