Een wiskundig model van warmtestroom door miniatuurdraden zou kunnen helpen bij het ontwikkelen van thermo-elektrische apparaten die warmte - zelfs hun eigen afvalwarmte - efficiënt omzetten in elektriciteit.

Ontwikkeld bij A*STAR, het model beschrijft de beweging van trillingen die fononen worden genoemd, die verantwoordelijk zijn voor het transporteren van warmte in isolatiematerialen. Fononen bewegen meestal in rechte lijnen in nanodraden - draden van amper een paar atomen breed. Eerdere berekeningen suggereerden dat als delen van een nanodraad willekeurige rangschikkingen van twee verschillende soorten atomen bevatten, fononen zouden worden gestopt in hun sporen. In echte legering nanodraden, Hoewel, atomen van hetzelfde element kunnen samenklonteren om korte secties te vormen die uit dezelfde elementen zijn samengesteld.

Nutsvoorzieningen, Zhun-Yong Ong en Gang Zhang van het A*STAR Institute of High Performance Computing in Singapore hebben de effecten van een dergelijke korteafstandsvolgorde op het gedrag van fononen berekend. Hun resultaten suggereren dat warmtegeleiding in een nanodraad niet alleen afhangt van de relatieve concentraties van de legeringsatomen en het verschil in hun massa; het hangt ook af van hoe de atomen zijn verdeeld.

Hun model simuleerde een 88 micrometer lange nanodraad met 160, 000 atomen van twee verschillende elementen. Ze ontdekten dat wanneer de nanodraad meer geordend was - met clusters van dezelfde elementen - laagfrequente fononen moeite hadden om te bewegen. In tegenstelling tot, hoogfrequente fononen konden veel verder reizen dan de gemiddelde lengte van de geordende gebieden in de legering. "De hoogfrequente fononen waren mobieler dan we dachten, " zegt Ong.

Met hun model bestudeerden de onderzoekers de thermische weerstand van een nanodraad die een gelijke mix van silicium- en germaniumatomen bevat. Door de atomen op korte afstand te ordenen, konden hoogfrequente fononen vrij door de draad reizen, waardoor het een relatief lage thermische weerstand heeft. In tegenstelling tot, een willekeurige verdeling van legeringsatomen resulteerde in een hogere weerstand - meer dan driemaal die van de bestelde behuizing voor een draad van 2,5 micrometer lang. "Als deze stoornis kan worden gerealiseerd in echte composietmaterialen, kunnen we de thermische geleidbaarheid van het systeem aanpassen, " zegt Ong.

Inzicht in de relatieve bijdrage van laag- en hoogfrequente fononen aan warmtegeleiding kan onderzoekers ook helpen de thermische eigenschappen van nanodraden in het laboratorium af te stemmen. "Bijvoorbeeld, het is bekend dat de oppervlakteruwheid van nanodraden de bijdrage aan thermische geleidbaarheid van hoogfrequente fononen vermindert, " zegt Ong.

De onderzoekers hopen dat hun model wetenschappers zal helpen bij het ontwerpen van composietmaterialen met een lage thermische geleidbaarheid. Een aantrekkelijke toepassing zijn thermo-elektrische apparaten, legt Ong uit. "Omdat deze apparaten afhankelijk zijn van een thermisch differentieel, een lage thermische geleidbaarheid is wenselijk voor optimale prestaties."