研究人员预测 然后证明奇怪的固态热开关

俄亥俄州立大学的研究人员已经展示了一种普通的陶瓷材料如何响应电场而改变其导热性，从而为固态热开关打开了大门，这种开关可以使热电发电机更加高效。

这一发现是基于准粒子这个有用但令人困惑的想法，准粒子的行为就好像它们存在，但实际上并非如此。固体中只有三种类型的粒子：质子、中子和电子。当这些单独的粒子堆积在一个固体中时，非常难以预测，因为在大规模混沌的多体问题中，每个粒子的运动都由所有其他粒子直接作用。

但是，尽管存在这种疯狂的复杂性，在这些系统中仍有可观察到的涌现模式，它们的行为方式要简单得多，就好像它们是与周围一切没有相互作用的粒子一样。研究人员在不同的系统中发现了其中的许多，并称它们为准粒子。它们实际上是数学工具，允许科学家处理由混沌系统产生的简单行为模式。

在这种情况下，相关的准粒子是铁子，理论上它存在于铁电材料中，铁电材料是压电材料的子集。压电材料是在振动或受到应力时产生交流电压的材料，或者在受到外部交流电压时产生振动的材料。例如，一些麦克风使用压电元件将声波转换为电信号。铁电体是压电体，也显示出可以通过施加电场来逆转的极化。

像其他准粒子一样，铁元并不存在。但他们描述了通过携带热量和极化的铁电材料移动的波，这些波以可预测的方式传播，即使矩阵中每个粒子的现实要复杂得多。

俄亥俄州立大学的研究人员预测，然后试图确认铁元的行为，使用常见的钛酸锆铅陶瓷作为铁电材料。他们的理论是：当电场用于在铁电材料中诱导压电振动时，这些振动会改变材料的导热性。

“我们发现，这些原子位置的变化，以及振动性质的变化，必须携带热量，因此改变这种振动的外部场必须影响导热性，”机械和航空航天工程教授Joseph Hermans说，材料科学与工程，以及物理学 - 以及发表在《科学进展》杂志上的一项新研究的资深作者 - 在一份新闻稿中。

“铁元对固体中的应变也很敏感，”他继续说道。“由于铁携带热量，这使得携带的热量取决于电场。因此，我们写了一个新理论，将外部电场，它在铁电体中引起的应变以及最终该应变如何影响导热性联系起来。

测试证实了他们的预测 - 尽管效果相当温和。对陶瓷施加电场在其最大和最小导热率之间产生了2%的差异。“任何应用都取决于我们找到一种效果更大的材料，”赫尔曼斯说。“我们正在寻找具有正确参数的材料。该理论预测，将有其他材料能够将热导率改变多达15%。

这里的潜在结果是一种新型的热开关，它可以在一定温度范围内不移动部件地工作。大多数当前技术要么依赖于机械阀，随着时间的推移而失效，要么依靠极低或非常特定的温度来表现出任何有用的效果。

这可能导致热电系统的效率发生根本性飞跃，热电系统将热量转化为电能。“发电回路的热力学效率关键取决于热储层和冷热储层之间的温差，”赫尔曼斯告诉IEEE Spectrum。“通过热开关和储热系统，可以将存储介质的温度保持在远高于热源的平均温度并接近其最大值，这可以使系统的热效率提高一倍。

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