Многообещающее открытие сделала группа ученых из университетов Кембриджа и Кренфильда (Великобритания). В тонкой пленке титаната-цирконата свинца PbZr0.95Ti0.05O3 они обнаружили гигантский электрокалорический эффект, который более чем в сто раз сильнее обычного. Эту находку исследователи надеются использовать для эффективного охлаждения компьютерных чипов.
Электрокалорический эффект заключается в охлаждении некоторых материалов под действием электрического поля (или в нагреве, в зависимости от направления поля). Он является антиподом более известного пироэлектрического эффекта, при котором нагрев или охлаждение материала вызывает на его поверхности электрическую разность потенциалов. Такими свойствами обладают некоторые монокристаллы с определенными типами симметрии кристаллической решетки, полимеры и керамики. В хорошем пироэлектрике одновременно наблюдается сильный электрокалорический эффект и наоборот (плюс все пироэлектрики являются и пьезоэлектриками).
Пироэлектрики широко применяются в чувствительных приемниках инфракрасного излучения. Свет нагревает тонкий слой материала, а возникающее при этом электрическое поле регистрируется электронной схемой. Собственно, по этому поводу ученые и исследовали пленку из титаната-цирконата свинца. Этот твердый материал, в котором атомов циркония и титана приблизительно поровну, хорошо известен и широко используется, в том числе как пьезоэлектрик. Увеличив долю циркония, ученые с удивлением обнаружили, что полезные свойства материала резко усилились. Приложив к пленке толщиной в одну треть микрона напряжение 25 В, ее удалось охладить на целых 12 градусов. Механизм гигантского электрокалорического эффекта пока до конца не понятен. По всей видимости, он тесно связан с фазовыми переходами в материале.
Новый материал можно использовать для создания твердотельного теплового насоса, который, как считают ученые, будет гораздо эффективнее, чем иногда применяемые сегодня для охлаждения электроники полупроводниковые элементы Пельтье. В этой связи пироэлектрики активно изучались еще в пятидесятые-семидесятые годы прошлого века, но из-за слабости электрокалорического эффекта в известных тогда материалах от идеи пришлось отказаться. Насос можно использовать и «в обратном направлении» – для получения электроэнергии при малых перепадах температур.
К сожалению, новый материал лучше всего работает при температуре около 220 градусов Цельсия, и его трудно непосредственно применить для охлаждения электронных чипов. Но окрыленные успехом ученые активно взялись за поиски похожих материалов, которые будут лучше функционировать при комнатных температурах. – Г.А.
