MIT-onderzoekers ontdekken dat warmte die beweegt in materialen die superroosters worden genoemd, zich als golven gedraagt; bevinding zou betere thermo-elektriciteit mogelijk maken.

Thermo-elektrische apparaten, die temperatuurverschillen kunnen benutten om elektriciteit te produceren, kan efficiënter worden gemaakt dankzij nieuw onderzoek naar warmtevoortplanting door structuren die superroosters worden genoemd. De nieuwe bevindingen laten zien, onverwacht, dat warmte kan reizen als golven, in plaats van deeltjes, door deze nanostructuren:materialen die zijn opgebouwd uit lagen van slechts enkele miljardsten van een meter dik.

Warmte - de vibratie van atomen en moleculen in een materiaal - reist meestal in een "willekeurige wandeling, " wat moeilijk te controleren is. De nieuwe waarnemingen laten een heel ander patroon zien, coherente stroom genoemd, wat meer lijkt op rimpelingen die op een ordelijke manier over een vijver bewegen.

Dit opent de mogelijkheid van nieuwe materialen waarin de warmtestroom precies op maat kan worden gemaakt - materialen die belangrijke toepassingen kunnen hebben. Bijvoorbeeld, dergelijk onderzoek zou kunnen leiden tot nieuwe manieren om de warmte af te voeren die wordt gegenereerd door elektronische apparaten en halfgeleiderlasers, wat de prestaties belemmert en zelfs de apparaten kan vernietigen.

Het nieuwe werk, door afgestudeerde studente Maria Luckyanova, postdoc Jivtesh Garg en professor Gang Chen, alle MIT's Department of Mechanical Engineering, samen met andere studenten en professoren aan MIT, De Universiteit van Boston, het California Institute of Technology en Boston College - wordt deze week gerapporteerd in het tijdschrift Wetenschap .

De studie omvat een nanogestructureerd materiaal dat een superrooster wordt genoemd:in dit geval een stapel afwisselend dunne lagen galliumarsenide en aluminiumarsenide, elk op hun beurt afgezet via een proces dat metaal-organische chemische dampafzetting wordt genoemd. Chemicaliën die deze elementen bevatten, worden in vacuüm verdampt, en vervolgens afgezet op een oppervlak, hun diktes nauwkeurig gecontroleerd door de duur van het afzettingsproces. De resulterende lagen waren slechts 12 nanometer dik - ongeveer de dikte van een DNA-molecuul - en de hele structuren varieerden in dikte van 24 tot 216 nanometer.

Onderzoekers hadden eerder geloofd dat, hoewel dergelijke lagen atomair perfect zouden kunnen zijn, er zou nog steeds voldoende ruwheid zijn op de grensvlakken tussen de lagen om warmtetransporterende quasi-deeltjes te verstrooien, genaamd fononen, terwijl ze door het superrooster bewogen. In een materiaal met veel lagen, dergelijke verstrooiingseffecten zouden zich ophopen, het was gedacht, en "vernietig het golfeffect" van de fononen, zegt Chen, de Carl Richard Soderberg hoogleraar energietechniek. Maar deze veronderstelling was nooit bewezen, dus besloten hij en zijn collega's om het proces opnieuw te bekijken, hij zegt.

Inderdaad, experimenten van Luckyanova en computersimulaties van Garg toonden aan dat hoewel een dergelijke fase-willekeurige verstrooiing plaatsvindt tussen hoogfrequente fononen, golfeffecten werden bewaard bij laagfrequente fononen. Chen zegt dat hij zeer verrast was toen Luckyanova terugkwam met de eerste experimentele gegevens om aan te tonen "dat coherente warmtegeleiding echt plaatsvindt".

Inzicht in de factoren die deze samenhang beheersen, zou, beurtelings, leiden tot betere manieren om die samenhang te doorbreken en de warmtegeleiding te verminderen, zegt Chen. Dit zou wenselijk zijn in thermo-elektrische apparaten om ongebruikte warmte-energie te benutten in alles, van krachtcentrales tot elektronica. Dergelijke toepassingen vereisen materialen die elektriciteit zeer goed geleiden, maar zeer slecht warmte geleiden.

Het werk zou ook de warmteafvoer kunnen verbeteren, zoals voor het koelen van computerchips. Het vermogen om te focussen en de warmtestroom te sturen zou kunnen leiden tot een beter thermisch beheer voor dergelijke apparaten. Chen zegt dat onderzoekers nog niet weten hoe ze zo'n nauwkeurige controle moeten uitoefenen, maar het nieuwe begrip zou kunnen helpen. Het begrijpen van dit op golven gebaseerde mechanisme "geeft je meer manieren om het transport" van warmte te manipuleren, hij zegt.

De twee materialen die in dit experiment zijn gebruikt, hebben zeer vergelijkbare eigenschappen, Luckyanova zegt, en geleiden elektriciteit zeer goed. Maar door de dikte en afstand van de lagen te regelen, ze zegt, "we geloven dat we het thermische transport kunnen manipuleren, " produceren het soort isolerende effect dat nodig is voor thermo-elektrische apparaten.

De rol van interfaces tussen de lagen van een materiaal "is iets dat niet echt werd begrepen, "zegt Garg. Eerdere simulaties hadden geen rekening gehouden met de effecten van variatie in oppervlaktetextuur op het proces, hij zegt, maar "Ik realiseerde me dat er een manier was om de rol van ruwheid te simuleren" op de manier waarop fononen door de stapel lagen bewogen.

Het nieuwe werk biedt niet alleen de mogelijkheid om de warmtestroom (meestal gedragen door fononen met korte golflengten) te regelen, maar ook om de beweging van geluidsgolven (voornamelijk gedragen door fononen met langere golflengte) te regelen. "Het is echt een soort fundamenteel begrip, "zegt Chen.

De inzichten die het werk mogelijk maakten, zijn voor een groot deel ontstaan ​​door interacties tussen onderzoekers in verschillende disciplines, mogelijk gemaakt door het Solid State Solar-Thermal Energy Conversion Center, een Energy Frontier Center gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, die regelmatig interdisciplinaire vergaderingen houdt aan het MIT. "Die ontmoetingen leverden lange, vruchtbare discussies die de paper echt versterkten, " zegt Luckyanova. De verscheidenheid aan mensen in de groep "heeft ons echt aangemoedigd om dit probleem van alle kanten aan te pakken."