La ricerca moderna non ha trovato semplice, modo economico per alterare la conduttività termica di un materiale a temperatura ambiente.

Questa mancanza di controllo ha reso difficile creare nuove classi di dispositivi che utilizzano fononi, gli agenti della conduttività termica, piuttosto che elettroni o fotoni per raccogliere energia o trasmettere informazioni. I fononi, le vibrazioni atomiche che trasportano l'energia termica nei solidi a velocità fino alla velocità del suono, si sono rivelati difficili da sfruttare.

Ora, utilizzando solo una batteria da 9 volt a temperatura ambiente, un team guidato dal ricercatore dei Sandia National Laboratories Jon Ihlefeld ha alterato la conduttività termica del materiale ampiamente utilizzato PZT (titanato di zirconato di piombo) fino all'11% su scale temporali inferiori al secondo. Lo hanno fatto senza ricorrere a costosi interventi chirurgici come cambiare la composizione del materiale o forzare le transizioni di fase ad altri stati della materia.

PZT, sia come ceramica che come film sottile, viene utilizzato in una vasta gamma di dispositivi che vanno dai dischi rigidi dei computer, accenditori a pulsante per barbecue, transponder di velocità ai caselli autostradali e molti progetti microelettromeccanici.

"Possiamo alterare la conduttività termica del PZT in un ampio intervallo di temperature, piuttosto che solo alle temperature criogeniche raggiunte da altri gruppi di ricerca, " ha detto Ihlefeld. "E possiamo farlo in modo reversibile:quando rilasciamo la nostra tensione, la conducibilità termica ritorna al suo valore originale."

Il lavoro è stato eseguito su materiali con interfacce interne ravvicinate, i cosiddetti muri di dominio, non disponibili nei decenni precedenti. La spaziatura ravvicinata consente un migliore controllo del passaggio fononico.

"Abbiamo dimostrato che possiamo preparare materiali cristallini con interfacce che possono essere alterate con un campo elettrico. Poiché queste interfacce diffondono fononi, " ha detto Ihlefeld, "possiamo modificare attivamente la conduttività termica di un materiale semplicemente cambiando la loro concentrazione. Riteniamo che questo lavoro innovativo farà avanzare il campo della fononica".

I ricercatori, supportato dall'ufficio di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio di Sandia, l'Ufficio per la Ricerca Scientifica dell'Aeronautica Militare, e la Fondazione Nazionale della Scienza, ha utilizzato un microscopio elettronico a scansione e un microscopio a forza atomica per osservare come le pareti del dominio delle sottosezioni del materiale cambiassero in lunghezza e forma sotto l'influenza di una tensione elettrica. È questo cambiamento che ha alterato in modo controllabile il trasporto dei fononi all'interno del materiale.

"La vera conquista nel nostro lavoro, " ha detto Ihlefeld, "è che abbiamo dimostrato un mezzo per controllare la quantità di calore che passa attraverso un materiale a temperatura ambiente semplicemente applicando una tensione attraverso di esso. Abbiamo dimostrato che possiamo regolare attivamente quanto bene il calore, i fononi, conduce attraverso il materiale. "

Ihlefeld sottolinea che il controllo attivo del trasporto di elettroni e fotoni ha portato a tecnologie che oggi sono date per scontate nell'informatica, comunicazioni globali e altri campi.

"Prima che esistesse la capacità di controllare queste particelle e onde, era probabilmente difficile anche solo sognare tecnologie che coinvolgessero computer elettronici e laser. E prima della nostra dimostrazione di uno stato solido, veloce, mezzi a temperatura ambiente per alterare la conduttività termica, non sono esistiti mezzi analoghi per controllare il trasporto dei fononi. Crediamo che il nostro risultato consentirà nuove tecnologie in cui è necessario controllare i fononi, " Egli ha detto.