Un nouveau moyen de contrôler le transfert de chaleur découvert par des chercheurs américains
Des chercheurs du Oak Ridge National Laboratory (ORNL), en collaboration avec l’Université d’État de l’Ohio et la société Amphenol Corporation, ont mis au jour une méthode innovante pour contrôler le flux de chaleur à travers des matériaux solides. Cette découverte remet en question des hypothèses longtemps établies sur le transport de la chaleur et pourrait ouvrir la voie à des systèmes de refroidissement plus efficaces, des dispositifs énergétiques et des technologies électroniques améliorées.
Publiée dans la revue PRX Energy, l’étude révèle qu’en appliquant un champ électrique à une céramique spécialisée, le comportement des phonons — ces vibrations atomiques responsables du transport de la chaleur — change. Lorsque les atomes vibrent dans la même direction que le champ électrique, les phonons durent beaucoup plus longtemps que ceux se déplaçant perpendiculairement. En conséquence, la chaleur se déplace presque trois fois plus efficacement dans la direction du champ électrique.
La capacité à diriger la chaleur de manière efficace est cruciale pour de nombreuses technologies avancées, notamment les systèmes de refroidissement électroniques à état solide, les dispositifs de conversion de la chaleur en électricité, l’électronique sur puce et les systèmes de cogénération qui capturent et réutilisent la chaleur résiduelle des processus industriels.
Dans cette étude, le champ électrique a permis de réduire les obstacles qui interfèrent normalement avec le mouvement des phonons. Cela a permis aux vibrations porteuses de chaleur de parcourir de plus grandes distances à travers le matériau, améliorant ainsi la conduction thermique dans la direction du champ électrique.
Pour comprendre les mécanismes sous-jacents, l’équipe a réalisé des expériences au Spallation Neutron Source, une installation de l’Office of Science du Département de l’Énergie des États-Unis. Grâce à des techniques avancées de diffusion inélastique de neutrons, les chercheurs ont pu observer les positions des atomes au sein du cristal et leur mouvement. Les mes ont montré que l’application d’un champ électrique augmentait non seulement la vitesse des phonons, mais prolongeait également leur durée de vie avant de se disperser, ce qui est essentiel pour améliorer la conductivité thermique.
Les chercheurs se sont concentrés sur une classe de céramiques appelées ferroélectriques à base de relaxeurs. Lorsqu’elles sont exposées à un champ électrique, les charges électriques au sein de ces matériaux s’alignent, réduisant ainsi la dispersion des phonons porteurs de chaleur et permettant à l’énergie thermique de circuler plus efficacement.
Les résultats montrent une amélioration de la conductivité thermique d’environ 300 %, contre des gains modestes de 5 à 10 % observés dans des travaux antérieurs sur des matériaux ferroélectriques en vrac. Cette augmentation significative est attribuée à la capacité des phonons à voyager plus longtemps avant de s’arrêter.
La recherche a été soutenue par le programme des Sciences de l’énergie de base du DOE, ainsi que par d’autres partenaires contribuant à cette avancée scientifique.
Source : PRX Energy
