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電流のように熱を移動させられる「固体熱スイッチ」への扉を開く画期的な研究

電気回路が電流を制御するのと同じように、熱を流して制御することは可能だろうか?オハイオ州立大学の研究者らによる新たな研究結果は、新しい種類の準粒子を効果的に利用して、実用的な熱スイッチを作ることができれば、その可能性は十分にあることを示唆している。

我々の社会を構成するテクノロジーのほとんど全ては、電気を取り扱う回路によって成り立っている。これは、電気抵抗の低いものに電流が流れやすいという性質を利用する事で、電流は効果的に制御することが出来、それによって様々な仕組み作りに役立てることが出来ているからだが、翻って熱はそうはいかない。

オハイオ州立大学の物理学者でエンジニアである研究主任のJoseph Heremans氏によると、「電流と違って、熱はどこにでも流れ、制御するのがずっと難しいのです。」

だが、人類が使用するエネルギーの70パーセント以上は、内燃機関などの熱に由来するものだ。それはつまり、熱の移動を効果的に制御することが可能ならば、技術的に大きな影響を与える可能性があるということだ。例えば、太陽熱発電所など、熱機関全体の効率を高めることができる。

Heremans氏はIEEE Spectrum誌に、「発電回路の熱力学的効率は、高温の蓄熱槽と低温の蓄熱槽の温度差に決定的に依存します。ヒートスイッチと蓄熱システムを使えば、蓄熱媒体の温度を高温源の平均温度よりはるかに高く、その最大値に近い状態に保つことができ、システムの熱効率を最大で2倍にすることができます。」と、語っている。

だが、現代のヒートスイッチは、気体を送り出すなど、ほとんどが機械式である。可動部品が多いため、経年疲労による故障が発生しやすい。現在の固体ヒートスイッチは、非常に低い温度でしか作動しないか、限られた温度範囲で作動する相変化をベースにしている。

しかし、今回オハイオ州立大学の研究者らは、一般的なセラミック材料が電界に反応して熱伝導率を変化させることを明らかにし、熱電発電機をはるかに効率化できる固体熱スイッチへの扉を開いた可能性がある。

この発見は、あたかも存在するかのように振る舞いながら、実際には存在しない準粒子という、考え方を基礎としている。固体には、陽子、中性子、電子の3種類の粒子しか存在しない。なぜなら、それぞれの粒子の運動は、他のすべての粒子によって直接作用され、非常に混沌とした多体問題になるからだ。

しかし、このように非常に複雑であるにもかかわらず、これらの系には、あたかも周囲のものとの相互作用がない粒子のように、より単純な振る舞いをする観測可能な創発パターンが存在するのである。研究者たちは、さまざまな系でこのようなパターンを多数発見し、それを「準粒子」と呼んでいる。準粒子は、カオス系から生じる単純な振る舞いのパターンを扱うための数学的ツールなのだ。

この準粒子は、圧電体の一部である強誘電体に存在することが理論的に明らかにされている。圧電体とは、振動させたり、応力を加えたりすると交流電圧を発生したり、外部から交流電圧を加えると振動したりする物質のことである。例えば、マイクロフォンの中には、圧電素子を使って音波を電気信号に変換しているものがある。強誘電体は圧電体でありながら電気分極を示し、電界をかけると分極が反転する。

フェロン(Ferron)は、他の準粒子と同様、存在しない。しかし、熱と分極の両方を運ぶ強誘電体中を移動する波を記述しており、マトリックス中の各粒子の実態はもっと複雑であっても、予測可能な方法で伝搬するのである。

オハイオ州立大学の研究者たちは、一般的なチタン酸ジルコニウム鉛セラミックを強誘電体材料として用い、フェロンの挙動を予測し、確認しようとしたのである。電界によって強誘電体材料に圧電振動を与えると、その振動が材料の熱伝導率を変化させるというのが、彼らの理論である。

「私たちは、この原子の位置の変化と振動の性質の変化が、熱を運ぶに違いないと考えました。したがって、この振動を変化させる外場が、熱伝導性に影響を与えるに違いありません。」と、Heremans氏は述べている。

「フェロンは、固体中のひずみにも敏感です。フェロンは熱を運ぶので、運ぶ熱の量は電界に依存することになります。だから、我々は、外部電場と、それが強誘電体に誘発する歪みと、最終的にこの歪みが熱伝導性にどのように影響するかを関連付ける新しい理論を書いたのです」

テストは、かなり穏やかな効果ではあるが、彼らの予測を確認した。セラミックに電界をかけると、熱伝導率の最大値と最小値の間に2%の差が生じた。「どんな用途に使うにしても、もっと大きな効果を発揮する材料を見つけられるかどうかにかかっています。私たちは、適切なパラメータを持つ材料を探しているのです。」この理論では、熱伝導率を15%も変化させることができる他の材料が存在することを予測している。

この発見は、熱を電気に変換する熱電変換システムの効率を飛躍的に向上させる可能性がある。


論文

参考文献

研究の要旨

この論文では、外部電場がチタン酸ジルコニウム系強誘電体の縦波音響フォノン速度 (vLA)、熱伝導率 (κ)、拡散率 (D) に影響を与えることを実験的に示している。フォノン伝導はκを支配し、観測結果はフォノン散乱ではなくフォノン分散の変化によるものである。このことは、強誘電体の熱揺らぎの性質、すなわち、熱と分極を運ぶフェロンをラベルしたフォノンに対する洞察を与えるものである。また、固体熱エンジンの実現技術であるフォノンベースの電気駆動型全固体ヒートスイッチへの道を開くものである。圧電歪みとフォノンの非調和性を組み合わせた定量的理論モデルにより、パラメータを調整することなくvLA, κ, Dの磁場依存性を説明でき、熱力学的平衡特性と輸送特性を結びつけることができた。この効果は、フォノンの電界依存散乱に起因するとされていた既報の効果よりも4倍も大きい。

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