Deneysel çalışmalara konu olan bir kuasipartikül olan ferronlar, ferroelektrik malzemeleri motorlardaki ısı akışını düzenlemek için kullanılabilecek termal anahtarlara dönüştürmek için kullanılma potansiyeline sahiptir.
Yanmalı motorlar, benzinli enerji santralleri, otomobiller ve uzay aracı jetleri kullanılarak, yanan bir akışkandan gelen ısı enerjisi mekanik enerjiye dönüştürülür. Akışkan ve motor türüne bağlı olarak, bu işlemin verimliliği %15 ile %50 arasında değişir ve bu da onu enerjiyi dönüştürmek için nispeten etkisiz bir yöntem haline getirir. Isı üretim yönteminin katı hal malzemesi kullanan bir yöntemle değiştirilmesinin enerji dönüşüm verimliliğini %10 oranında artıracağı tahmin edilmektedir. Şimdiye kadar sadece varsayılan bir kuasipartikül olan ferron, şimdi onu tespit etmeye yönelik çalışmalarda keşfedilmiş olabilir.
Polarizasyonun ferron tarafından taşındığına inanılmaktadır. Sonuç olarak, manyetik sistemlerde spin akımlarını yayan bir kuasipartikül olan magnona benzer. Ferronun da manyetik kuzeni gibi ısı taşıyacağı öngörülüyor. Ancak ferron, bu güncel çalışmalardan önce henüz deneysel olarak görülmemişti.
Kurşun zirkonyum titanat, Ohio Eyalet Üniversitesi’nden Brandi Wooten ve meslektaşlarının testlerinde inceledikleri ferroelektrik bir seramik maddedir. Sistemin termal özelliklerini ve ısı ileten parçacıklarını araştırmak için malzemeye bir elektrik alanı uyguladılar ve ardından bir dizi ölçüm gerçekleştirdiler.
Bilim insanları, alanı 0’dan 1.000.000 V/m’ye yükseltirken ferroelektriğin termal iletkenliğinde %2’lik bir artış gözlemledi. Bu artış, önceki ferroelektrik çalışmalarında gözlemlenenden dört kat daha fazladır, ancak ferronların ısıyı taşıdığını öngören bir modelle tutarlıdır. Ekip, termal iletkenlikteki değişimin tersine çevrilebilir olması nedeniyle, ısı akışını açıp kapatmanın mümkün olacağını iddia ediyor. Bu termal anahtarın gelen ısısı, bir ısı motoru etkinleştirildiğinde mekanik enerjiye dönüştürülebilir.
Ohio Eyalet Üniversitesi’nden Patrick Woodward adlı bir kimyager bu keşfi ilgi çekici ve beklenmedik olarak nitelendiriyor. Bununla birlikte, kullanılabilir bir termal anahtar oluşturmak için ısı akışında yeterince önemli bir değişiklik üretmek üzere ferroelektrik malzemeler kullanmanın mümkün olup olmadığının hala belirsiz olduğunu da ekliyor. Wooten, kurşun zirkonyum titanat için ölçtükleri en yüksek termal iletkenliğin uygulamalar için çok düşük olduğunu, bu nedenle bu sorunun hala açık olduğunu söylüyor. Wooten, buna rağmen bu gösterinin hala çok önemli bir kavram kanıtı olduğunu iddia ediyor. Bilinen katı hal ısı anahtarlarının çoğu son derece düşük sıcaklıklarda çalışırken, bu yeni anahtar bunu oda sıcaklığında yapıyor. Bunun onu özellikle benzersiz kıldığını iddia ediyor.
Grup şu anda uygulamalar için gerekli ısı iletkenliği niteliklerine sahip olması gerektiğine inandıkları başka ferroelektrik malzemeleri araştırıyor. Woodward’a göre, bu daha karmaşık kimyasal bileşiklerin nasıl tepki vereceğini merak ediyor. Ekibin şu anki hedefi, bir elektrik alanının varlığında termal iletkenliği %15 ila %20 oranında artan bir ferroelektrik tanımlamak. Çalışmanın baş araştırmacısı Ohio Eyalet Üniversitesi’nden Joseph Heremans, [ferroelektrik] bir ısı anahtarına sahip olmanın “şaşırtıcı” olacağına inanıyor. Isı motorları alanını tamamen değiştirebilir.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v16/28
