Nieuwe bevindingen hebben een al lang bestaand obstakel opgelost in onderzoek om de effecten van warmtegeleiding in vaste materialen te begrijpen, een kritiek probleem in veel toepassingen, van energieconversie tot elektronicakoeling.

De ontdekking kan bijdragen aan de verbetering van een groot aantal technologieën, waaronder thermo-elektrische apparaten, die warmte omzetten in elektriciteit; thermische barrièrecoatings, zoals die welke worden gebruikt om de bladen van turbinemotoren te beschermen tegen extreme verhitting; koellichamen voor elektronicakoeling; nucleaire brandstoffen; en onderzoek naar warmteoverdracht in vaste toestand in het algemeen.

Het onderzoek betreft de cruciale rol van "fonons, " kwantummechanische verschijnselen die beschrijven hoe trillingen door de kristalstructuur van een materiaal reizen. De fononen interageren, soms combineren en splitsen in nieuwe fononen, van richting en gedrag veranderen.

Deze "verstrooiing" is fundamenteel voor hoe een materiaal warmte geleidt. Tot nu, onderzoekers hebben alleen de interacties van drie fononen realistisch kunnen modelleren. Bij nieuwe bevindingen echter, onderzoekers van Purdue University en Oak Ridge National Laboratory hebben aangetoond hoe de interacties van vier fononen en hun effect op de warmtestroom nauwkeurig kunnen worden gemodelleerd.

"In staat zijn om vier-fononverstrooiing te voorspellen is een decennialange uitdaging geweest, " zei Xiulin Ruan, een Purdue hoogleraar werktuigbouwkunde.

Interacties met vier fononen zijn lang genegeerd, deels omdat ze als verwaarloosbaar werden beschouwd en onderzoekers niet wisten hoe ze te modelleren.

"Nu hebben we duidelijk het belang van vier-fononverstrooiing aangetoond, " hij zei.

De bevindingen werden gedetailleerd beschreven in een paper die in oktober online verscheen in het tijdschrift Fysieke beoordeling B . Het werd gemarkeerd als een "Rapid Communications" -paper, omdat de bevindingen bijzonder actueel en relevant zijn. Het papier was co-auteur van voormalig Purdue-promovendus Tianli Feng, die nu een postdoctoraal onderzoeker is aan de Vanderbilt University en het Oak Ridge National Laboratory; Oak Ridge-onderzoeker Lucas Lindsay; en Ruan.

Tot nu, het simuleren van vier-fononverstrooiing heeft 10, 000 keer de rekenkracht als verstrooiing met drie fononen, waardoor het onhaalbaar is om theoretische voorspellingen van hoge kwaliteit uit te voeren. Echter, het Purdue-team heeft een nieuwe methode ontwikkeld om de theoretische berekeningen uit te voeren en de simulatie van vier-fononverstrooiing te optimaliseren, het verminderen van de benodigde rekenkracht.

"Het is een nieuwe fysieke foto, " zei Feng. "Het mechanisme van vier-fononverstrooiing was al bekend, maar niemand wist hoe hij de theoretische voorspellingen moest doen of hoe hij het belang ervan moest inschatten, dat is wat we hebben bereikt."

Door vier-phonon-gegevens in berekeningen op te nemen, kunnen onderzoekers nieuwe materialen ontwikkelen. Materialen met een ultrahoge thermische geleidbaarheid zijn ideaal voor koellichamen, terwijl die met een lage thermische geleidbaarheid geschikt zijn voor thermo-elektrische toepassingen en thermische barrièrecoatings.

De nieuwe bevindingen tonen aan dat alleen het gebruik van drie-fononverstrooiing in berekeningen resultaten oplevert die de prestaties van sommige materialen overschatten en de prestaties van andere onderschatten.

"Het rigoureuze raamwerk dat door het onderzoeksteam is ontwikkeld voor het opnemen van vier-fononverstrooiing is nieuw en van aanzienlijk wetenschappelijk belang, " zei Alan McGaughey, een professor in werktuigbouwkunde aan de Carnegie Mellon University. "Hun bevindingen werpen een belangrijk licht op eerdere theoretische voorspellingen en experimentele metingen, en zal helpen bij de ontwikkeling van nieuwe materialen voor een breed scala aan toepassingen. Van bijzonder belang is het potentieel om grenzen te stellen aan hoe hoog of laag thermische geleidbaarheid kan zijn over een reeks temperaturen."

Onderzoekers ontwikkelen alternatieven voor diamant voor toepassingen zoals koellichamen voor elektronicakoeling. Een zo'n potentieel alternatief, zink-gemengde boorarseniden genoemd, in theoretische berekeningen is aangetoond dat het qua thermische geleidbaarheid kan wedijveren met diamant.

Echter, nieuwe bevindingen die vier-fononverstrooiing toepassen, tonen aan dat eerdere voorspellingen het potentieel van het materiaal met meer dan 50 procent overschatten bij kamertemperatuur en zelfs meer bij hogere temperaturen. In de tussentijd, Eerdere theoretische voorspellingen bleken het potentieel van op silicium gebaseerde materialen voor thermo-elektrische toepassingen bij hoge temperaturen te onderschatten.

"Wat we hier laten zien, is dat de theoretische bovengrens niet zo hoog is als eerder werd gedacht voor zink-blend boorarsenide, "Zei Lindsay. "Echter, de voorspelde geleidbaarheid is nog steeds veel hoger dan bij de meeste materialen, en het is nog steeds een veelbelovend systeem."

Het onderzoek, die volledig theoretisch was, kan de eerdere discrepantie tussen voorspelde en experimentele thermische geleidbaarheid van silicium bij hoge temperatuur verklaren. Het zal worden uitgebreid met meer laboratoriumexperimenten.