能源部橡树岭国家实验室（ORNL）与俄亥俄州立大学和安芬诺公司合作的研究人员发现了一种控制固体材料中热传导的新办法，颠覆了长期以来对热传输的假设，可能会导致更高效的冷却系统、能源设备和电子技术。该研究发表在PRX Energy上，发现对一种特殊陶瓷施加电场会改变声子行为，声子是负责携带热量的微小原子振动。当原子沿电场方向（极化方向）振动时，这些声子的存续时间要远长于与之垂直的振动。结果是，在电场方向上的热传导效率几乎是其他方向的三倍。ORNL博士后研究助理普斯帕·乌普雷提表示：“能够控制热流的速度和方式，可能导致热能管理设备变得更加高效。”  控制热量的重要性 有效引导热量的能力对许多先进技术至关重要，包括没有活动部件的固态电子冷却系统、将热量转化为电力的设备、基于芯片的电子产品以及利用工业过程中的废热进行联合发电的系统。更好地控制热传递可以提高性能和能源效率。这个概念通过卡诺循环得以说明，卡诺循环是一个理想化模型，通过精确调节热量在热区与冷区之间的移动，定义了热机的最大理论效率。在这项新研究中，电场减少了通常干扰声子运动的阻碍，使得携带热量的振动能够更远地穿越材料，就像缓解繁忙高速公路上的拥堵一样，从而在电场方向上实现更高效的热导率。 中子实验揭示原子运动 为了准确了解材料内部发生的事情，研究团队在位于ORNL的散裂中子源进行了实验。利用先进的非弹性中子散射技术，研究人员观察到了晶体内原子的位置以及原子的运动情况。中子特别适合这种类型的分析，因为它们可以揭示材料的结构和原子动力学，这基于克利福德·沙尔和贝特朗·布罗克豪斯的诺贝尔奖获奖工作所认可的方法。测量结果表明，施加电场不仅增加了声子的速度，还显著延长了它们在散射之前的存活时间。这些更长的寿命是材料在热导能力方面显著改善的关键原因。 具有显著热传导的陶瓷 研究人员专注于一种被称为松弛基铁电材料的陶瓷。当暴露于电场时，这些材料内部的微小电荷变得排列整齐。这种排列减少了热传导声子的散射，使热能能够更高效地通过晶体移动。实验中使用的晶体经过精心生长，然后由安芬诺公司的拉菲·萨胡尔曝光于电场或“极化”。所得到的材料展示了高度可控的热传输能力。ORNL高级研究员迈克尔·曼利与ORNL高级研发工作人员拉斐尔·赫尔曼共同领导了非弹性中子散射实验。“早期对块状铁电材料的研究使热导率提高了5%到10%，而新的测量显示接近300%的增强，主要是因为声子能够在停止前以更长的距离传播，”曼利说。 三倍增长令研究人员感到惊讶 通过将热导率测量与中子散射数据结合，研究团队能够将热流的显著增加直接联系到晶体内部原子振动的变化。已故的俄亥俄州立大学教授约瑟夫·赫里曼设计了热导率实验，并指导博士生德拉拉姆·拉沙德法进行分析。拉沙德法表示：“尽管早期的工作使我们只期望效果较小，但观察到三倍的差异却是一项重大成果。赫里曼教授总是强调首先信任数据的重要性，然后让理论随之而来。”该研究得到了能源部基础能源科学计划和其他合作伙伴的资助。