(PhysOrg.com) -- Een twee jaar oude Air Force Office of Scientific Research Multidisciplinair universitair onderzoeksinitiatief waarbij de Universiteit van Michigan betrokken is, Stanford universiteit, bruine universiteit, en de Universiteit van Californië in Santa Cruz boekt grote vooruitgang bij het verkrijgen van een fundamenteel begrip van warmteoverdracht op interfaces.

"We willen dit bereiken door state-of-the-art technieken uit verschillende disciplines toe te passen om te komen tot een set ontwerpregels voor technische interfaces met gewenste thermische eigenschappen, " zei dr. Kevin Pipe, een professor in Werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Michigan die het project leidt.

Warmteoverdracht is belangrijk voor de prestaties, energiebehoeften, en betrouwbaarheid van vele militaire en commerciële systemen, waaronder thermo-elektrische koelkasten, afvalwarmteterugwinningssystemen, koellichamen, vermogenselektronica, thermische barrièredeklagen, en thermische interfacematerialen.

"Recente vorderingen in de nanowetenschap hebben de nauwkeurige controle van de fysieke en chemische structuur van de interface mogelijk gemaakt, maar de fundamentele fysica die deze structuur op nanoschaal verbindt met thermisch transport is nog niet goed ontwikkeld, remming van de engineering van interfaces met radicaal verbeterde thermische eigenschappen, ' zei Pijp.

Interfaces kunnen de thermische geleidbaarheid van een composietmateriaal verminderen door de akoestische golven die de primaire warmtedragers in vaste stoffen zijn, te verstrooien.

"Dit verstrooiingsproces geeft elke interface een thermische weerstand, ' zei Pijp.

De onderzoekers hebben in de eerste twee jaar van hun onderzoeksinspanning een aantal prestaties geleverd, inclusief de ontwikkeling van een snel warmtebeeldsysteem en een techniek om de voortplanting van fononen te meten, de elementaire pakketten van trillingsenergie die warmte transporteren, met een hoge signaal-ruisverhouding. Met behulp van ultrasnelle lasersystemen die laserpulsen van minder dan 50 femtoseconden uitzenden, Het team van Pipe creëert hoogfrequente akoestische golven aan het oppervlak van een materiaal en meet in een proces dat vergelijkbaar is met medische ultrasone beeldvorming hoe deze golven zich verspreiden van begraven interfacestructuren.

"Bij een van onze metingen " zei Pijp, "we gebruiken picoseconde röntgenpulsen om direct naar atomaire beweging in de buurt van een interface te kijken terwijl warmte eroverheen stroomt."

Door precieze nanofabricagetechnieken toe te passen om interfaces te creëren met bekende atomaire structuur, de onderzoekers kunnen gemeten warmteoverdrachtseigenschappen koppelen aan de voorspellingen van atomistische simulaties om meer inzicht te krijgen in de fundamentele processen die erbij betrokken zijn.

"Door de state-of-the-art in deze technieken te bevorderen, we streven ernaar een interface volledig te karakteriseren en een volledig begrip te krijgen van wat de warmtestroom eroverheen regelt, ' zei Pijp.

"De Michigan MURI onder leiding van professor Kevin Pipe maakt buitengewone doorbraken om thermisch transport op nanoschaal te begrijpen door interfaces nauwkeurig af te stemmen met behulp van geavanceerde verwerkingstechnieken en innovatieve experimentele lasergebaseerde methoden om fonon-modi die deelnemen aan het warmtetransport af te bakenen, " zei Dr. Kumar V. Jata, thermische wetenschappen, AFOSR, Arlington, Va. en materiaalkunde, Aziatisch bureau voor ruimtevaartonderzoek en -ontwikkeling, Tokio, Japan. "In het verleden hebben we nooit aandacht besteed aan de interfaces en beschouwden we ze als perfect of onvolmaakt, het een of het ander."