Natuurkundigen ontwerpen nu nieuwe materialen met fysieke eigenschappen die zijn afgestemd op specifieke behoeften op het gebied van energieverbruik. Voordat deze zogenaamde 'materials-by-design' kunnen worden toegepast, het is essentieel om hun kenmerken te begrijpen, zoals warmtestroom. Nutsvoorzieningen, een team van Italiaanse natuurkundigen heeft een voorspellend theoretisch model ontwikkeld voor de warmteflux in deze materialen, met behulp van berekeningen op atoomschaal.

Het onderzoek, uitgevoerd door Claudio Melis en collega's van de Universiteit van Cagliary, Italië, wordt gepubliceerd in de Europees fysiek tijdschrift B . Hun bevindingen kunnen implicaties hebben voor het optimaliseren van het thermische budget van nano-elektronische apparaten - wat betekent dat ze kunnen helpen de totale hoeveelheid thermische energie die wordt gegenereerd door elektronenstromen te verdrijven - of voor de productie van energie door thermo-elektrische effecten in nieuwe nanomaterialen.

De auteurs vertrouwden op grootschalige moleculaire dynamica-simulaties om thermisch transport op nanoschaal te onderzoeken en de bijbehorende fysieke kenmerken te bepalen, die de thermische geleidbaarheid bepalen. Traditionele atomistische berekeningsmethoden brengen een zware rekenbelasting met zich mee, wat soms hun toepassing op systemen verhindert die groot genoeg zijn om de experimentele structurele complexiteit van echte monsters te modelleren.

In plaats daarvan, Melis en collega's hebben een methode aangenomen die de benadering evenwichtsmoleculaire dynamica (AEMD) wordt genoemd, die robuust is en geschikt om grote systemen weer te geven. Dus, het kan simulaties gebruiken om betrouwbare voorspellingen te doen over thermisch transport. De auteurs hebben onderzocht in hoeverre de betrouwbaarheid van de resultaten van de AEMD-methode wordt beïnvloed door eventuele implementatieproblemen.

In aanvulling, ze pasten de methode toe op thermisch transport in nanogestructureerd silicium, een systeem van actueel belang met een grote potentiële impact op thermo-elektrische technologie, met behulp van simulaties van ongekende omvang. uiteindelijk, het model kan worden toegepast op halfgeleiders die worden gebruikt als hoogrenderende thermo-elektriciteit, en aan grafeen nanoribbons die worden gebruikt als koellichamen voor zogenaamde ultra grootschalige integratie-apparaten, zoals computermicroprocessors.