(Phys.org) —Onderzoekers stellen een nieuwe technologie voor die de warmtestroom zou kunnen regelen zoals elektronische apparaten elektrische stroom regelen, een vooruitgang die toepassingen zou kunnen hebben op een breed scala van gebieden, van elektronica tot textiel.

Het concept maakt gebruik van kleine driehoekige structuren om "fonons, " kwantummechanische verschijnselen die beschrijven hoe trillingen door de kristalstructuur van een materiaal reizen.

Bevindingen in onderzoek met behulp van geavanceerde simulaties tonen aan dat de driehoekige of T-vormige structuren - als ze klein genoeg zijn in de breedte - in staat zijn tot "thermische rectificatie, " of het toestaan ​​van een grotere warmtestroom in de ene richting dan in de tegenovergestelde richting, zei Xiulin Ruan, een universitair hoofddocent aan de Purdue University's School of Mechanical Engineering en Birck Nanotechnology Center.

Rectificatie heeft transistoren mogelijk gemaakt, diodes en geheugencircuits die centraal staan ​​in de halfgeleiderindustrie. De nieuwe apparaten zijn thermische gelijkrichters die mogelijk dezelfde functie vervullen, maar met fononen in plaats van elektrische stroom.

"In de meeste systemen warmtestroom is in beide richtingen gelijk, er zijn dus geen thermische apparaten zoals elektrische diodes. Echter, als we de warmtestroom kunnen regelen zoals we elektriciteit regelen met behulp van diodes, dan kunnen we veel nieuwe en opwindende thermische apparaten inschakelen, waaronder thermische schakelaars, thermische transistoren, logische poorten en geheugen, " zei Ruan, wiens onderzoeksgroep samenwerkte met een groep onder leiding van Yong Chen, een universitair hoofddocent in Purdue's Department of Physics en School of Electrical and Computer Engineering. "Mensen beginnen net te begrijpen hoe het werkt, en het wordt nog lang niet gebruikt in toepassingen."

De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een onderzoekspaper die online in het tijdschrift is verschenen Nano-letters en zal worden gepubliceerd in een volgend nummer van het tijdschrift. Het artikel is geschreven door promovendi Yan Wang, Ajit Vallabhaneni en Jiuning Hu en voormalig promovendus Bo Qiu; Chen; en Ruan.

De onderzoekers gebruikten een geavanceerde simulatiemethode genaamd moleculaire dynamica om thermische rectificatie aan te tonen in structuren die 'asymmetrische grafeen-nanoribbons' worden genoemd. Moleculaire dynamische simulaties kunnen de trillingen van atomen simuleren en de warmtestroom in een materiaal voorspellen.

grafeen, een extreem dunne laag koolstof, is veelbelovend voor toepassingen in elektronica en computers. De driehoekige structuur moet klein van breedte zijn om de "laterale opsluiting" van fononen die nodig zijn voor het effect mogelijk te maken. Bevindingen tonen ook aan dat thermische rectificatie niet beperkt is tot grafeen, maar kan worden gezien in andere materialen in structuren zoals piramidale, trapeziumvormige of T-vormige ontwerpen.

Hé, Ruan, en Chen publiceerden vier jaar geleden ook een paper in het tijdschrift Nano-letters , een van de eersten die asymmetrische grafeen-nanoribbons voorstelt als thermische gelijkrichter in onderzoek met behulp van de moleculaire dynamica-simulaties. Hoewel er sindsdien talloze studies aan dit onderwerp zijn gewijd, tot nu toe kenden onderzoekers het mechanisme achter thermische rectificatie niet. De nieuwe bevindingen tonen aan dat dit mechanisme werkt door trillingen te beperken terwijl ze door de kleine laterale richting van een asymmetrische structuur reizen.

"We tonen aan dat andere asymmetrische materialen, zoals asymmetrische nanodraden, dunne films, en kwantumdots van een enkel materiaal kunnen ook hoogwaardige thermische gelijkrichters zijn, zolang je zijdelingse opsluiting hebt, "Zei Ruan. "Dit verbreedt echt het potentieel van deze rectificatie naar een veel breder spectrum van toepassingen."

Thermische rectificatie wordt niet gezien in grotere driehoekige structuren omdat ze geen laterale opsluiting hebben. Om zijdelingse opsluiting te produceren, de dwarsdoorsnede van de structuur moet veel kleiner zijn dan het "gemiddelde vrije pad" van een fonon, of slechts enkele tot honderden nanometers, afhankelijk van het materiaal, zei Wang.

"Dit is de gemiddelde afstand die een fonon kan afleggen voordat het in botsing komt met een ander fonon, " hij zei.

Echter, hoewel de apparaten klein moeten zijn, ze kunnen in serie worden gekoppeld om grotere structuren en betere rectificatieprestaties te produceren.

Het concept kan worden gebruikt in toepassingen voor "thermisch beheer" voor computers en elektronica, gebouwen en zelfs kleding.

"Bijvoorbeeld, op een winternacht wil je niet dat een gebouw snel warmte verliest naar buiten, terwijl u overdag wilt dat het gebouw door de zon wordt opgewarmd, dus het zou goed zijn om bouwmaterialen te hebben die de warmtestroom in één richting mogelijk maken, maar niet de andere, ' zei Ruan.

Een potentieel, hoewel speculatief, toekomstige toepassing kunnen thermische transistoren zijn. In tegenstelling tot conventionele transistoren, thermische transistoren zouden geen silicium nodig hebben, zijn gebaseerd op fononen in plaats van elektronen en kunnen gebruik maken van de grote hoeveelheid afvalwarmte die al wordt gegenereerd in de meeste praktische elektronica, zei Chen.