Los científicos han encontrado el secreto detrás de una propiedad de los materiales sólidos conocida como ferroeléctricos, que muestra que las cuasipartículas que se mueven en patrones ondulatorios entre átomos vibrantes transportan suficiente calor para convertir el material en un interruptor térmico cuando se aplica un campo eléctrico externo.
Un hallazgo clave del estudio es que este control de la conductividad térmica es atribuible a la estructura del material en lugar de colisiones aleatorias entre los átomos. Específicamente, los investigadores describen cuasipartículas llamadas ferrones cuya polarización cambia a medida que «se mueven» entre los átomos que vibran, y es ese movimiento y polarización ordenados, receptivos al campo eléctrico aplicado externamente, lo que dicta la capacidad del material para transferir el calor a una temperatura diferente. tasa.
«Descubrimos que este cambio en la posición de estos átomos y el cambio en la naturaleza de las vibraciones deben transportar calor y, por lo tanto, el campo externo que cambia esta vibración debe afectar la conductividad térmica», dijo el autor principal Joseph Heremans, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial, ciencia e ingeniería de materiales y física en la Universidad Estatal de Ohio.
«La gente tiende a pensar que las vibraciones atómicas son un hecho y no responden a un campo eléctrico o magnético. Y estamos diciendo que poder afectarlos con un campo eléctrico».
Con el uso de un estímulo eléctrico externo simple, la conductividad térmica en este tipo de material se puede cambiar a temperatura ambiente en lugar de a las temperaturas extremadamente bajas requeridas para controlar la mayoría de los materiales candidatos para interruptores térmicos de estado sólido, mejorando las posibilidades de real- aplicaciones mundiales de la tecnología, dicen los investigadores.
El estudio se publica hoy (1 de febrero de 2023) en la revista Avances de la ciencia.
El material utilizado en el estudio es una cerámica de titanato de circonio de plomo común que pertenece a una clase de materiales llamados piezoeléctricos, que cambian de forma cuando se les aplica un campo eléctrico o producen una carga eléctrica bajo tensión mecánica.
Los ferroeléctricos, un subconjunto de los piezoeléctricos, son materiales en los que las cargas eléctricas de los átomos pueden formar espontáneamente dipolos eléctricos que se alinean en la misma dirección, formando lo que se conoce como polarización. Estos dipolos pueden ser conmutados por un campo eléctrico externo.
Hasta ahora, los científicos no habían escrito formalmente cómo se moverá esta polarización cuando se aplique calor. En este nuevo artículo, este movimiento se describe introduciendo la cuasipartícula, llamada ferrón, que transporta ondas de polarización y calor al mismo tiempo. El ferrón es sensible a un campo eléctrico externo, y eso significa que la aplicación de un campo eléctrico externo puede convertir el material en un interruptor térmico.
«La cuasipartícula siempre ha estado allí. Simplemente no ha sido identificada ni medida», dijo la primera autora Brandi Wooten, estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales en el estado de Ohio.
Wooten comparó el comportamiento de los ferrones con una ola de estadio, con cada aficionado a los deportes representando una célula de átomos reunidos en un cristal.
«Tienes todos estos átomos, y tienen este dipolo especial: un átomo con una carga eléctrica que se mueve hacia arriba y hacia abajo crea un dipolo. Puedes pensar en las manos de las personas que suben haciendo la onda como la fuerza del dipolo, si sus manos están arriba, es realmente fuerte. Si están un poco abajo, es más débil, y si están completamente abajo, es negativo», dijo. «Esa es la fuerza del dipolo. Descubrimos que estas ondas especiales transportan calor y polarización, y las etiquetamos como ferrones».
Esta propiedad de transferencia de calor es inducida por el campo eléctrico a través de un fenómeno conocido como tensión piezoeléctrica: la red se contrae o se estira cuando se aplica voltaje, con átomos y fuerzas entre ellos moviéndose hacia adelante y hacia atrás, cambiando finalmente las propiedades mecánicas del material. y, como resultado, cambiando su conductividad térmica, dijo Heremans, también un erudito eminente de Ohio en nanotecnología.
«El ferrón también es sensible a la tensión en el sólido. Dado que el ferrón transporta calor, eso hace que la cantidad de calor transportado dependa del campo eléctrico», dijo. «Así que escribimos una nueva teoría que relaciona un campo eléctrico externo, la tensión que induce en un ferroeléctrico y, en última instancia, cómo esta tensión afecta la conductividad térmica».
La teoría es predictiva, por lo que los investigadores ahora pueden usarla para encontrar materiales donde el efecto sea mucho mayor, lo que finalmente conducirá a materiales donde sea lo suficientemente grande como para usarse en interruptores de calor en aplicaciones cotidianas, como la recolección de energía solar.
La aplicación de un campo eléctrico al material produjo una diferencia del 2% entre la conductividad máxima y la mínima, como predijo la nueva teoría. Una serie de experimentos que cuantificaron las vibraciones atómicas a través de la medición de la velocidad de las ondas de sonido del material y las propiedades de equilibrio y transporte validaron «que todo esto depende solo de la estructura del material, no necesariamente de lo que está dispersando las vibraciones», dijo Wooten.
Los investigadores ahora están estudiando otros materiales que podrían aumentar ese cambio en la conductividad térmica hasta en un 15%, como predice la nueva teoría.
«Cualquier aplicación depende de que encontremos un material donde el efecto sea mucho mayor», dijo Heremans. «Estamos buscando materiales que tengan los parámetros correctos».
Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias, el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia y la Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnología.
Los coautores adicionales incluyen a Ryo Iguchi y Ken-ichi Uchida del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Japón; Ping Tang y Gerrit Bauer de la Universidad de Tohoku; y Joon Sang Kang del estado de Ohio.
