Wetenschappelijk onderzoek heeft ons een fundamenteel begrip opgeleverd van hoe licht (via fotonen) en elektriciteit (via elektronen) zich binnen en tussen materialen verplaatsen op micrometer- of nanometerniveau, waardoor een grote verscheidenheid aan miniatuurapparaten mogelijk wordt, zoals transistors, optische sensoren en micro-elektromechanische systemen (MEMS). Echter, de kennis van de mens van warmtestromen op micro- en nanoschaal is op zijn best rudimentair.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign (UIUC) heeft een nieuw systeem ontwikkeld voor het onderzoeken en meten van thermische geleiding op nanoschaal op het grensvlak tussen twee materialen. Met verdere verfijning, de wetenschappers geloven dat hun opmars op een dag gegevens kan opleveren voor toepassingen zoals het oogsten van elektriciteit uit afvalwarmte, betere koeling van micro-elektronische apparaten en "hittezoekende" targeting van ziektecellen door hyperthermische (boven normale lichaamstemperatuur) therapieën.

De bevindingen van het team worden gepresenteerd door Mark Losego, voorheen een postdoctoraal onderzoeker aan de UIUC en nu een onderzoeksassistent-professor in chemische en biomoleculaire engineering aan de North Carolina State University, tijdens het AVS 59th International Symposium and Exhibition, gehouden 28 oktober-nov. 2, 2012, in Tampa, fla.

Op nanoschaal is thermische eigenschappen zijn het resultaat van trillingen tussen naburige atomen. Bindingen tussen atomen dragen deze trillingen, vergelijkbaar met een oscillerende veer. Het UIUC-team ontwikkelde een techniek om de effecten van deze bindingen op warmtetransport over een grensvlak tussen twee verschillende materialen te bestuderen. "We wilden een systeem waarin we konden observeren, analyseren en kwantificeren van thermische stroom over een interface met precisie op atomair niveau, ' zegt Losego.

Het systeem begint met een substraatbasis van kwartskristal, waarop de onderzoekers moleculaire ketens plaatsen die 12 koolstofatomen lang zijn. Aan de basis van elke keten bevindt zich een chemische "dop" die covalent aan kwarts bindt. De aantrekkingskracht van deze doppen op het substraat brengt spontaan alle koolstofketens op één lijn in een geordende reeks moleculen die bekend staat als een zelf-geassembleerde monolaag (SAM). Aan het andere uiteinde van elke koolstofketen bevindt zich een ander soort dop, ofwel een thiolgroep (zwavel en waterstof) die sterk bindt aan metalen of een methylgroep (koolstof en waterstof) die zwak bindt.

"Vervolgens maken we gebruik van een visco-elastische siliconenstempel om goudlagen op het SAM-oppervlak te 'transfereren', " Losego legt uit. "Dit proces is vergelijkbaar met het overbrengen van een sticker op een T-shirt, waarbij de gouden film het 'embleem' is dat op de 'backing' van de siliconenstempel is bevestigd. Als we langzaam de siliconen eraf halen, we laten de goudlaag op de SAM liggen."

Het bevindt zich op het raakvlak tussen de goudfilm en de SAM, Losego zegt, waarbij de warmtestroom op nanoschaal wordt gekarakteriseerd. "Door de chemische groepen die in contact zijn met de goudlaag te veranderen, kunnen we zien hoe verschillende bindingen de warmteoverdracht beïnvloeden, " hij voegt toe.

Gecombineerd met een ultrasnelle lasertechniek die temperatuurverval (of warmteverlies) kan bewaken met een resolutie van picoseconden (biljoenste van een seconde), de UIUC-onderzoekers kunnen hun experimentele systeem gebruiken om de warmtestroom op atomaire schaal te evalueren. "We verwarmen de goudlaag die aan de monolaag is bevestigd en kunnen het temperatuurverval met de tijd volgen, " legt Losego uit. "Tegelijkertijd we observeren oscillaties in de goudfilm die de sterkte van de bindingen op de goud-SAM-junctie aangeven. Met behulp van deze metingen kunnen we onafhankelijk verifiëren dat sterke bindingen [snel afnemende oscillaties] een snelle warmteoverdracht hebben, terwijl zwakke bindingen [langzaam afnemende oscillaties] een langzamere warmteoverdracht hebben."

De onderzoekers zijn van plan hun thermische meetsysteem op nanoschaal te verfijnen en theoretische berekeningen te ontwikkelen om de gegevens die het produceert beter te interpreteren.