Para peneliti di Laboratorium Nasional Oak Ridge (ORNL) Departemen Energi, bekerja sama dengan The Ohio State University dan Amphenol Corporation, telah menemukan cara baru yang mengejutkan untuk mengontrol bagaimana panas berpindah melalui bahan padat. Hasil penelitian ini menantang asumsi lama tentang perpindahan panas dan dapat menghasilkan sistem pendingin, perangkat energi, dan teknologi elektronik yang lebih efisien.
Diterbitkan di Energi PRXStudi tersebut menemukan bahwa penerapan medan listrik pada keramik khusus mengubah perilaku fonon, getaran atom kecil yang bertanggung jawab untuk perpindahan panas. Ketika atom bergetar dalam arah yang sama dengan medan listrik (arah polarisasi), fonon ini bertahan lebih lama daripada getaran yang melewatinya. Hasilnya, panas menyebar hampir tiga kali lebih efisien ke arah medan listrik dibandingkan ke arah lainnya.
“Mampu mengendalikan kecepatan dan cara aliran panas dapat menghasilkan perangkat yang mengelola energi panas jauh lebih efisien,” kata Puspa Upreti, peneliti pascadoktoral di ORNL.
Mengapa mengendalikan panas itu penting
Kemampuan untuk mengarahkan panas secara efisien sangat penting bagi banyak teknologi maju. Ini termasuk sistem pendingin elektronik solid-state tanpa bagian yang bergerak, perangkat yang mengubah panas menjadi listrik, komponen elektronik berbasis chip, dan sistem kogenerasi yang menangkap dan menggunakan kembali limbah panas dari proses industri.
Kontrol perpindahan panas yang lebih baik dapat meningkatkan kinerja dan efisiensi energi. Konsep ini diilustrasikan oleh siklus Carnot, sebuah model ideal yang mendefinisikan efisiensi teoritis maksimum mesin kalor dengan mengatur pergerakan panas antara daerah panas dan dingin secara hati-hati.
Dalam studi baru, medan listrik mengurangi hambatan yang biasanya mengganggu pergerakan fonon. Hal ini memungkinkan getaran pembawa panas merambat lebih jauh melalui material, seperti mengurangi kemacetan lalu lintas di jalan raya yang sibuk, sehingga menghasilkan konduksi panas yang jauh lebih efisien ke arah medan listrik.
Eksperimen neutron mengungkap gerakan atom
Untuk memahami secara pasti apa yang terjadi di dalam material tersebut, tim melakukan eksperimen di Spallation Neutron Source, fasilitas pengguna DOE Office of Science yang dioperasikan oleh ORNL.
Dengan menggunakan teknik hamburan neutron inelastis yang canggih, para peneliti mengamati posisi atom dalam kristal dan bagaimana atom tersebut bergerak. Neutron sangat cocok untuk jenis analisis ini karena mereka dapat mengungkap struktur material dan dinamika atomnya, berdasarkan metode yang diakui oleh karya pemenang Hadiah Nobel Clifford Shull dan Bertram Brockhouse.
Pengukuran menunjukkan bahwa penerapan medan listrik tidak hanya meningkatkan kecepatan fonon, tetapi juga secara signifikan memperpanjang waktu kelangsungan hidup fonon sebelum berhamburan. Masa pakai yang lebih lama ini adalah salah satu alasan utama mengapa bahan tersebut menjadi penghantar panas yang jauh lebih baik.
Keramik dengan perpindahan panas yang luar biasa
Para peneliti fokus pada kelas keramik yang disebut feroelektrik berbasis relaxor. Saat terkena medan listrik, muatan listrik kecil pada material ini akan sejajar. Penyelarasan ini mengurangi hamburan fonon pembawa panas, memungkinkan energi panas bergerak lebih efisien melalui kristal.
Kristal yang digunakan dalam percobaan ini ditumbuhkan dengan hati-hati dan kemudian dipaparkan ke medan listrik, atau “poled,” oleh Raffi Sahul dari Amphenol Corporation. Bahan yang dihasilkan menunjukkan perpindahan panas yang sangat terkendali.
Michael Manley, peneliti utama di ORNL, memimpin eksperimen hamburan neutron inelastis bersama Raphaël Hermann, anggota senior tim R&D ORNL.
“Pekerjaan sebelumnya pada material feroelektrik massal telah mencapai peningkatan sederhana dalam konduktivitas termal, sebesar 5 hingga 10 persen, sementara pengukuran baru menunjukkan peningkatan hampir 300 persen – terutama karena fonon mampu melakukan perjalanan lebih lama sebelum berhenti,” kata Manley.
Peningkatan tiga kali lipat yang mengejutkan para peneliti
Dengan menggabungkan pengukuran konduktivitas termal dengan data hamburan neutron, tim dapat secara langsung menghubungkan peningkatan dramatis aliran panas dengan perubahan getaran atom di dalam kristal.
Mendiang Profesor Joseph Heremans dari Ohio State merancang eksperimen konduktivitas termal dan membimbing mahasiswa doktoral Delaram Rashadfar melalui analisisnya.
“Meskipun penelitian sebelumnya memberi kami harapan akan dampak yang kecil, pengamatan terhadap perbedaan tiga kali lipat ternyata memberikan hasil yang signifikan,” kata Rashadfar. “Profesor Heremans selalu menekankan pentingnya memercayai data terlebih dahulu dan membiarkan teori mengikuti.”
Penelitian ini didukung oleh program DOE Basic Energy Sciences serta mitra kontributor lainnya.
