Οι νέες ιδέες ενισχύουν την ιδέα του Αϊνστάιν για το πώς η θερμότητα κινείται μέσα από τα στερεά
Δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review Letters, η έρευνα παρέχει έναν τρόπο κατανόησης της συμπεριφοράς της θερμικής μεταφοράς σε μονωτήρες και ημιαγωγούς όταν υποβάλλονται σε ακραίες καταστάσεις όπως υψηλές θερμοκρασίες ή πιέσεις.
Η μελέτη προσφέρει επίσης πληροφορίες για το σχεδιασμό θερμοηλεκτρικών υλικών επόμενης γενιάς, τα οποία θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την αποτελεσματική μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια.
"Αυτό που έχουμε δείξει εδώ είναι ένας νέος τρόπος να σκεφτούμε τη θερμική μεταφορά σε μονωτήρες και ημιαγωγούς", δήλωσε ο Δρ Joshua Kretchmer, βοηθός καθηγητής στη Σχολή Φυσικής της Georgia Tech και ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης. "Τα αποτελέσματά μας θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε νέα υλικά με βελτιωμένες θερμικές ιδιότητες και να ανοίξουν το δρόμο για πιο αποτελεσματική μετατροπή ενέργειας".
Ένα από τα βασικά ευρήματα της μελέτης είναι ο ρόλος των "quasiparticles" στη μεταφορά θερμότητας σε στερεά. Αυτά τα quasiparticles είναι διεγέρσεις στο κρυσταλλικό πλέγμα που συμπεριφέρονται σαν σωματίδια, αλλά δεν είναι πραγματικά, παρατηρήσιμα αντικείμενα.
Σε συμβατικά υλικά, η μεταφορά θερμότητας συχνά κυριαρχείται από τις δονήσεις των ατόμων μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα, το οποίο μπορεί να θεωρηθεί ως ένα σύνολο ελατηρίων και μαζών. Ωστόσο, σε ορισμένα υλικά, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται σε θερμοηλεκτρικές συσκευές, η μεταφορά θερμότητας κυριαρχείται από την κίνηση των quasiparticles, όπως τα ηλεκτρόνια ή οι οπές.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η αλληλεπίδραση μεταξύ αυτών των quasiparticles και των ατομικών δονήσεων διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στον προσδιορισμό των θερμικών ιδιοτήτων μεταφοράς ενός υλικού. Συγκεκριμένα, διαπίστωσαν ότι όταν η αλληλεπίδραση είναι ισχυρή, η μεταφορά θερμότητας μειώνεται.
"Η δουλειά μας δείχνει ότι η αλληλεπίδραση μεταξύ quasiparticles και δονήσεων είναι εξαιρετικά σημαντική για την κατανόηση της θερμικής μεταφοράς σε στερεά", δήλωσε ο Δρ Kretchmer. "Με τον έλεγχο αυτής της αλληλεπίδρασης, θα μπορούσαμε ενδεχομένως να σχεδιάσουμε υλικά με πολύ υψηλότερη ή χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα, ανάλογα με την επιθυμητή εφαρμογή".
Ο Δρ Kretchmer και η ομάδα του εργάζονται τώρα για να εφαρμόσουν το θεωρητικό πλαίσιο για το σχεδιασμό νέων θερμοηλεκτρικών υλικών και να κατανοήσουν τις θερμικές ιδιότητες μεταφοράς άλλων υλικών, όπως τοπολογικούς μονωτήρες και υπεραγωγοί.
