智能陶瓷突破，导热率提升300%

美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）与俄亥俄州立大学、安费诺公司合作开展的一项新研究，颠覆了人们对固体材料中热流控制的传统认知。这项发表在《PRX Energy》期刊上的研究（论文标题：《弛豫铁电体中电场调控声子寿命与热导率》）表明，对陶瓷材料施加电场，能够改变声子（传递热量的微小原子振动）的行为。

原子沿电场方向（极化方向）运动的声子，其寿命要长于沿垂直电场方向运动的声子。而材料在电场方向上的导热效率几乎是垂直方向的三倍。这一极具前景的方法，有望催生可在日常技术中控制热流的新型固态器件。

黄色波展示了传播中的原子振动

橡树岭国家实验室研究员 Puspa Upreti 表示：“能够控制热量传递的速度与方式，有望研发出热能管理效率大幅提升的器件。”

热流控制对高性能系统至关重要，例如无运动部件的现代电子冷却器、将热能转化为电能的能量转换器、日常技术中基于芯片的电路，以及回收并再利用工业余热的热电联产系统。对这些系统进行热量调控，是实现最高效率与最佳性能的关键。

效率与热流之间的关系可以用卡诺循环来体现。卡诺循环是热机的理想化模型，通过精确控制冷热热源间的热量传递，设定了理论上的最高效率。在本研究中，施加电场消除了声子传输的阻碍，使振动传播得更远 —— 就像缓解繁忙道路上的交通拥堵一样，从而提升电场方向的导热能力，最终提高效率。

实验在散裂中子源（SNS）完成，该装置是美国能源部科学办公室下属、由橡树岭国家实验室运营的用户设施。研究人员利用先进的非弹性中子散射技术，同时捕捉原子的静态排布（结构）与动态运动（动力学）。中子能让科学家精确观测材料中原子的位置与运动方式，这一原理曾由 Clifford Shull 与 Bertram Brockhouse 凭借相关研究获得诺贝尔奖。

来自散裂中子源的详尽数据集清晰揭示：调节电场不仅能加快声子运动，还能延长其寿命，这正是未来开发热量管理技术的关键。该研究聚焦于一类特殊陶瓷材料 ——弛豫铁电体。这类陶瓷在电场作用下，内部微小电荷会发生定向排列，从而减少载热振动的散射，让能量更高效地传递。本研究所用晶体由安费诺公司的 Raffi Sahul 精心制备，并通过施加电场完成 “极化” 处理。该成果实现了可对能量流进行精确控制的固体材料。

橡树岭国家实验室高级研究员 Michael Manley 与高级研发人员 Raphaël Hermann 共同设计并主导了非弹性中子散射实验。Manley 表示：“早期对块体铁电材料的研究，仅使热导率实现 5%~10% 的小幅提升；而新测试显示，热导率提升接近 300%，主要原因是声子能够在衰减前传播得更远。”

研究人员将热导率测量结果与中子散射数据相结合，直接将热流变化与晶体内部原子振动行为关联起来。已故俄亥俄州立大学 Joseph Heremans 教授设计了热导率实验，并指导博士生 Delaram Rashadfar 完成数据解读。Rashadfar 说：“此前研究让我们预期只会出现小幅效应，但观测到近三倍的差异，无疑是一项重大成果。Heremans 教授始终强调，要首先相信数据，再让理论跟上。”