俄亥俄州立大學(xué)的研究人員已經(jīng)展示了一種普通的陶瓷材料如何響應(yīng)電場(chǎng)而改變其導(dǎo)熱性，從而為固態(tài)熱開(kāi)關(guān)打開(kāi)了大門(mén)，這種開(kāi)關(guān)可以使熱電發(fā)電機(jī)更加高效。

這一發(fā)現(xiàn)是基于準(zhǔn)粒子這個(gè)有用但令人困惑的想法，準(zhǔn)粒子的行為就好像它們存在，但實(shí)際上并非如此。固體中只有三種類(lèi)型的粒子：質(zhì)子、中子和電子。當(dāng)這些單獨(dú)的粒子堆積在一個(gè)固體中時(shí)，非常難以預(yù)測(cè)，因?yàn)樵诖笠?guī)模混沌的多體問(wèn)題中，每個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)都由所有其他粒子直接作用。

但是，盡管存在這種瘋狂的復(fù)雜性，在這些系統(tǒng)中仍有可觀察到的涌現(xiàn)模式，它們的行為方式要簡(jiǎn)單得多，就好像它們是與周?chē)磺袥](méi)有相互作用的粒子一樣。研究人員在不同的系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了其中的許多，并稱(chēng)它們?yōu)闇?zhǔn)粒子。它們實(shí)際上是數(shù)學(xué)工具，允許科學(xué)家處理由混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的簡(jiǎn)單行為模式。

在這種情況下，相關(guān)的準(zhǔn)粒子是鐵子，理論上它存在于鐵電材料中，鐵電材料是壓電材料的子集。壓電材料是在振動(dòng)或受到應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生交流電壓的材料，或者在受到外部交流電壓時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)的材料。例如，一些麥克風(fēng)使用壓電元件將聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。鐵電體是壓電體，也顯示出可以通過(guò)施加電場(chǎng)來(lái)逆轉(zhuǎn)的極化。

像其他準(zhǔn)粒子一樣，鐵元并不存在。但他們描述了通過(guò)攜帶熱量和極化的鐵電材料移動(dòng)的波，這些波以可預(yù)測(cè)的方式傳播，即使矩陣中每個(gè)粒子的現(xiàn)實(shí)要復(fù)雜得多。

俄亥俄州立大學(xué)的研究人員預(yù)測(cè)，然后試圖確認(rèn)鐵元的行為，使用常見(jiàn)的鈦酸鋯鉛陶瓷作為鐵電材料。他們的理論是：當(dāng)電場(chǎng)用于在鐵電材料中誘導(dǎo)壓電振動(dòng)時(shí)，這些振動(dòng)會(huì)改變材料的導(dǎo)熱性。

“我們發(fā)現(xiàn)，這些原子位置的變化，以及振動(dòng)性質(zhì)的變化，必須攜帶熱量，因此改變這種振動(dòng)的外部場(chǎng)必須影響導(dǎo)熱性，”機(jī)械和航空航天工程教授Joseph Hermans說(shuō)，材料科學(xué)與工程，以及物理學(xué) - 以及發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的一項(xiàng)新研究的資深作者 - 在一份新聞稿中。

“鐵元對(duì)固體中的應(yīng)變也很敏感，”他繼續(xù)說(shuō)道。“由于鐵攜帶熱量，這使得攜帶的熱量取決于電場(chǎng)。因此，我們寫(xiě)了一個(gè)新理論，將外部電場(chǎng)，它在鐵電體中引起的應(yīng)變以及最終該應(yīng)變?nèi)绾斡绊憣?dǎo)熱性聯(lián)系起來(lái)。

測(cè)試證實(shí)了他們的預(yù)測(cè) - 盡管效果相當(dāng)溫和。對(duì)陶瓷施加電場(chǎng)在其最大和最小導(dǎo)熱率之間產(chǎn)生了2%的差異。“任何應(yīng)用都取決于我們找到一種效果更大的材料，”赫爾曼斯說(shuō)。“我們正在尋找具有正確參數(shù)的材料。該理論預(yù)測(cè)，將有其他材料能夠?qū)釋?dǎo)率改變多達(dá)15%。

這里的潛在結(jié)果是一種新型的熱開(kāi)關(guān)，它可以在一定溫度范圍內(nèi)不移動(dòng)部件地工作。大多數(shù)當(dāng)前技術(shù)要么依賴(lài)于機(jī)械閥，隨著時(shí)間的推移而失效，要么依靠極低或非常特定的溫度來(lái)表現(xiàn)出任何有用的效果。

這可能導(dǎo)致熱電系統(tǒng)的效率發(fā)生根本性飛躍，熱電系統(tǒng)將熱量轉(zhuǎn)化為電能。“發(fā)電回路的熱力學(xué)效率關(guān)鍵取決于熱儲(chǔ)層和冷熱儲(chǔ)層之間的溫差，”赫爾曼斯告訴IEEE Spectrum。“通過(guò)熱開(kāi)關(guān)和儲(chǔ)熱系統(tǒng)，可以將存儲(chǔ)介質(zhì)的溫度保持在遠(yuǎn)高于熱源的平均溫度并接近其最大值，這可以使系統(tǒng)的熱效率提高一倍。

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