Door een combinatie van materiaalontwerp op atomaire schaal en ultrasnelle metingen, onderzoekers van de Universiteit van Illinois hebben nieuwe inzichten onthuld over hoe warmte over een grensvlak tussen twee materialen stroomt.

De onderzoekers toonden aan dat een enkele laag atomen de warmtestroom over een interface kan verstoren of verbeteren. Hun resultaten worden deze week gepubliceerd in Nature Materials.

Een betere controle van de warmtewisseling is een sleutelelement voor het verbeteren van de prestaties van de huidige technologieën zoals geïntegreerde schakelingen en verbrandingsmotoren, maar ook van opkomende technologieën zoals thermo-elektrische apparaten, die hernieuwbare energie winnen uit restwarmte. Echter, het bereiken van controle wordt belemmerd door een onvolledig begrip van hoe warmte door en tussen materialen wordt geleid.

"Warmte reist door elektrisch isolerend materiaal via 'fonons, ', dit zijn collectieve trillingen van atomen die als golven door een materiaal reizen, " zei David Cahill, een Willett-professor en het hoofd van materiaalwetenschap en -techniek in Illinois en co-auteur van het artikel. "Vergeleken met onze kennis van hoe elektriciteit en licht door materialen reizen, De kennis van wetenschappers over warmtestroom is nogal rudimentair."

Een van de redenen waarom dergelijke kennis ongrijpbaar blijft, is de moeilijkheid om temperaturen nauwkeurig te meten, vooral op kleine schaal en over korte tijdsperioden - de parameters waaronder veel micro- en nano-apparaten werken.

In het afgelopen decennium is De groep van Cahill heeft een meettechniek verfijnd met behulp van zeer korte laserpulsen, die slechts een biljoenste van een seconde duurt, om de warmtestroom nauwkeurig te meten met een resolutie van nanometerdiepte. Cahill werkte samen met Paul Braun, de Racheff Professor of Materials Science and Engineering aan de U. of I. en een leider in de synthese van materialen op nanoschaal, om de techniek toe te passen om te begrijpen hoe kenmerken op atomaire schaal het warmtetransport beïnvloeden.

"Deze experimenten gebruikten een 'moleculaire sandwich' waarmee we het effect van chemie op het grensvlak op de warmtestroom konden manipuleren en bestuderen, op atomaire schaal, ' zei Braun.

De onderzoekers stelden hun moleculaire sandwich samen door eerst een enkele laag moleculen op een kwartsoppervlak te deponeren. Volgende, door middel van een techniek die bekend staat als transfer-printen, ze plaatsten een zeer dunne goudfilm op deze moleculen. Daarna pasten ze een warmtepuls toe op de goudlaag en maten hoe deze door de sandwich naar het kwarts onderaan reisde.

Door alleen de samenstelling van de moleculen die in contact komen met de goudlaag aan te passen, de groep observeerde een verandering in warmteoverdracht, afhankelijk van hoe sterk het molecuul aan het goud was gebonden. Ze toonden aan dat een sterkere binding een tweevoudige toename van de warmtestroom veroorzaakte.

"Deze variatie in warmtestroom zou veel groter kunnen zijn in andere systemen, " zei Mark Losego, die deze onderzoeksinspanning leidde als postdoctoraal wetenschapper in Illinois en nu een onderzoeksprofessor is aan de North Carolina State University. "Als de vibratiemodi voor de twee vaste stoffen meer op elkaar leken, we konden veranderingen tot een factor 10 of meer verwachten."

De onderzoekers gebruikten ook hun vermogen om de grensvlakchemie systematisch aan te passen om een ​​warmtestroomwaarde tussen de twee uitersten in te stellen, het verifiëren van het vermogen om deze kennis te gebruiken om materiaalsystemen te ontwerpen met gewenste thermische transporteigenschappen.

"We hebben in feite aangetoond dat het veranderen van zelfs een enkele laag atomen op het grensvlak tussen twee materialen een aanzienlijke invloed heeft op de warmtestroom over dat grensvlak, ' zei Losego.

wetenschappelijk, dit werk opent nieuwe wegen voor onderzoek. De Illinois-groep werkt al aan een dieper fundamenteel begrip van warmteoverdracht door meetmethoden te verfijnen voor het kwantificeren van grensvlakkleefstijfheid, evenals het onderzoeken van temperatuurafhankelijkheid, wat een beter fundamenteel beeld zal geven van hoe de veranderingen in de chemie van het grensvlak de warmtestroom over het grensvlak verstoren of verbeteren.

"Voor vele jaren, de fysieke modellen voor warmtestroom tussen twee materialen hebben de atomaire kenmerken van een interface genegeerd, ' zei Cahill. 'Nu moeten deze theorieën worden verfijnd. De experimentele methoden die hier zijn ontwikkeld, zullen helpen bij het kwantificeren van de mate waarin structurele kenmerken van het grensvlak bijdragen aan de warmtestroom en zullen worden gebruikt om deze nieuwe theorieën te valideren."

Braun en Cahill zijn verbonden aan het Frederick Seitz Materials Research Laboratory aan de U. of I. Braun is ook verbonden aan de afdeling chemie en het Beckman Institute for Advanced Science and Technology. Het Air Force Office of Scientific Research ondersteunde dit werk.