Een groeiende interesse in thermo-elektrische materialen - die afvalwarmte omzetten in elektriciteit - en druk om de warmteoverdracht van steeds krachtigere micro-elektronische apparaten te verbeteren, hebben geleid tot een beter theoretisch en experimenteel begrip van hoe warmte wordt getransporteerd door materialen op nanometerschaal.

Recent onderzoek heeft zich gericht op de mogelijkheid om interferentie-effecten in fonongolven te gebruiken om het warmtetransport in materialen te regelen. Golfinterferentie wordt al gebruikt om elektronische, fotonische en akoestische apparaten. Als een vergelijkbare benadering kan worden gebruikt in thermisch transport, die de ontwikkeling van efficiëntere thermo-elektrische en nano-elektronische apparaten zou kunnen vergemakkelijken, verbeterde thermische barrièredeklagen, en nieuwe materialen met ultralage thermische geleidbaarheid.

Een voortgangsartikel gepubliceerd op 23 juni in het tijdschrift Natuurmaterialen beschrijft recente ontwikkelingen en voorspelt toekomstige vorderingen in fonongolfinterferentie en thermische bandgapmaterialen.

"Als je warmte kunt laten gedragen als een golf en interferentie hebt terwijl je controleert hoe ver het beweegt, je zou in principe alle eigenschappen achter warmtetransport kunnen regelen, " zei Martin Maldovan, een assistent-professor aan de School of Chemical and Biomolecular Engineering en School of Physics aan het Georgia Institute of Technology, en de auteur van de krant. "Dit zou een compleet nieuwe manier zijn om warmte te begrijpen en te manipuleren."

In de klassieke definitie warmte bestaat uit trillingen in de atoomroosters van materialen. Hoe meer trillingen in de structuur van een materiaal, hoe warmer het materiaal. En op dezelfde manier dat wit licht eigenlijk is samengesteld uit veel verschillende kleuren licht, deze thermische fononen zijn opgebouwd uit veel verschillende frequenties, elk met verschillende hoeveelheden warmte.

Recente ontwikkelingen hebben aangetoond dat thermische fononen hun eigen reflecties kunnen verstoren. De waarneming suggereert dat thermische fononen moeten bestaan ​​als golven vergelijkbaar met elektronische, fotonische of akoestische golven. Deze interferentie kan mogelijk worden gebruikt om de snelheid van fononen en de dichtheid van toestanden te wijzigen, het creëren van energiebandgaps die verboden zijn voor fonongolven. Het gebruik van vergelijkbare bandgaps in optische en elektronische materialen is de sleutel geweest tot de ontwikkeling van een breed scala aan bruikbare apparaten.

Tot nu, warmtetransport in nanogestructureerde materialen is grotendeels gecontroleerd door de introductie van onzuiverheden op atomaire schaal, interfaces, oppervlakken en nanodeeltjes die de warmtestroom verminderen door de fononen diffuus te verspreiden. Het beheersen van golfeffecten zou nieuwe benaderingen kunnen vergemakkelijken met betrekking tot de spiegelende reflectie en overdracht van thermische trillingen op grensvlakken.

"Gezien het opmerkelijke succes dat is behaald bij het gebruik van elektronische, fotonische en fononische golfinterferentie om elektronen te manipuleren, licht- en geluidsgolven, het is zeker waardevol om deze theorieën uit te breiden tot thermische trillingen, waardoor een fundamenteel nieuwe benadering wordt gecreëerd voor het manipuleren van de warmtestroom, ' schreef Maldovan in de krant.

Thermo-elektrische materialen vangen restwarmte op van bronnen zoals uitlaatgassen van auto's of industriële processen om elektriciteit te produceren. Om deze materialen te verbeteren, moet de thermische geleidbaarheid verder worden verlaagd om hun efficiëntie te verbeteren.

Anderzijds, ontwerpers van micro-elektronica willen de thermische geleidbaarheid verhogen om warmte weg te leiden van krachtige en kleine apparaten. Ontwikkelaars van brandstofcellen en andere conversieapparatuur moeten ook de warmtebeheersing verbeteren.

Maldovan schreef het artikel om problemen met thermisch transport op te helderen, en om anderen te interesseren in het veld. uiteindelijk, onderzoekers zullen deze nieuwe informatie over warmtetransport gebruiken om betere materialen te ontwerpen.

"Deze nieuwe golffenomenen kunnen worden gebruikt om materialen te maken met een lage thermische geleidbaarheid, " zei Maldovan. "We proberen een thermische bandgap te creëren, maar dat is niet zo eenvoudig om te doen."

De zoektocht naar thermische fononische golfmaterialen zal zich richten op halfgeleiders, net zoals die worden gebruikt in micro-elektronica, zei Maldovan. Maar terwijl het silicium dat in micro-elektronica wordt gebruikt een natuurlijke bandgap had, wetenschappers moesten een bandgap creëren in fotonica en akoestische materialen, en hetzelfde geldt voor thermische materialen. Mogelijke materialen zijn onder meer silicium-germanium, gallium- en aluminiumarsenide en bepaalde superroosters van oxide.

Onderzoekers hebben zich jarenlang gericht op hoe ver warmte in materialen kan worden getransporteerd. Voor de toekomst, onderzoek zal zich richten op de snelheid van dat transport, en hoeveel warmte daarbij wordt verplaatst, Maldovan voorspelde. Hij vergelijkt warmtetransport met een bekendere kwestie:menselijk transport.

"Als je veel mensen wilt verplaatsen, je hebt een bus nodig die veel mensen kan vervoeren, " zei hij. "Je wilt ook een voertuig dat snel kan bewegen, want als je sneller beweegt, je kunt meer mensen verder vervoeren in minder tijd."

De komende jaren moeten aanzienlijke opheldering brengen over de rol van interferentie en bandgaps in thermische materialen, Maldovan voorspelde. Dat zal verdere vooruitgang mogelijk maken in de materialen die nodig zijn voor thermische controle.

"Het is nu heel cool om warmte te begrijpen, " hij zei.