Onderzoekers hebben voor het eerst een moderne theorie van warmtetransport toegepast in experimenten met halfgeleiders die worden gebruikt in computers en lasers, met implicaties voor het ontwerp van apparaten die afvalwarmte omzetten in elektriciteit en de beheersing van oververhitting in geminiaturiseerde en snelle elektronische componenten.

Al meer dan een eeuw wordt warmtetransport in vaste stoffen beschreven in termen van de willekeurige chaotische beweging van "energiedragers", vergelijkbaar met een melkdruppel die zich in koffie verspreidt en geleidelijk warmte overbrengt van warmere naar koudere streken. Echter, over de kleine afstanden van enkele nanometers gedraagt ​​de beweging van thermische energie zich anders en lijkt op de structuur van fractals, die zijn opgebouwd uit patronen die zich op kleinere schaal oneindig herhalen.

"Als we kijken naar het probleem van warmtetransport, is het verrassend dat de theorie die we gebruiken teruggaat tot Fourier, wat 200 jaar geleden was, en hij ontwikkelde het om uit te leggen hoe de temperatuur van de aarde verandert, " zei Ali Shakouri, Purdue University's Mary Jo en Robert L. Kirk Directeur van het Birck Nanotechnology Center en een professor in elektrische en computertechniek. "Echter, we gebruiken nog steeds dezelfde theorie op de kleinste schaal, zeg tientallen nanometers, en de snelste tijdschaal van honderden picoseconden."

Een team van Purdue en de Universiteit van Californië, Santa Barbara, heeft een theorie toegepast die is gebaseerd op het werk van wiskundige Paul Lévy in de jaren dertig, in experimenten met de halfgeleider indium gallium aluminiumarsenide, die wordt gebruikt in high-speed transistors en lasers.

"Het werk dat we hebben gedaan, is de Lévy-theorie voor het eerst toepassen op warmtetransport in experimenteel materiaal met echte materialen, ' zei Shakuri.

De bevindingen zullen in december worden gepresenteerd tijdens de najaarsbijeenkomst van Materials Research Society in Boston. De bevindingen werden gedetailleerd in een onderzoekspaper die in juli in het tijdschrift verscheen NanoLetters en gekenmerkt als een dekmantel.

Het onderzoek heeft aangetoond dat het inbrengen van nanodeeltjes gemaakt van de legering erbiumarsenide de thermische geleidbaarheid aanzienlijk vermindert en de thermo-elektrische efficiëntie van de halfgeleider verdubbelt. Mogelijke toepassingen zijn onder meer systemen voor het oogsten van restwarmte in voertuigen en energiecentrales.

"Bijvoorbeeld, tweederde van de energie die in een auto wordt opgewekt, wordt verspild als warmte, "Zei Shakouri. "Zelfs onze beste energiecentrales verspillen de helft of tweederde van hun energie aan warmte, en die warmte zou kunnen worden omgezet in elektriciteit met thermo-elektriciteit."

Thermo-elektrische apparaten wekken elektriciteit op uit warmte, en hun prestaties hangen af ​​van het hebben van een uitgesproken temperatuurverschil - of gradiënt - van de ene kant van het apparaat naar de andere kant. Het hebben van een lagere thermische geleidbaarheid behoudt een grotere temperatuurgradiënt, Prestaties verbeteren

De nanodeeltjes zorgen ervoor dat de thermische geleidbaarheid van het materiaal drievoudig daalt zonder de fractale dimensie te veranderen. Van de energiedragers - quasideeltjes die fononen worden genoemd - wordt gezegd dat ze "quasiballistische" beweging ondergaan, wat betekent dat ze worden vervoerd zonder in botsing te komen met veel andere deeltjes, waardoor de warmte wordt geleid met "superdiffusie". De aanpak bootst het effect na van "Lévy-brillen, " materialen die bollen van glas bevatten die de diffusie van het passerende licht veranderen. Hetzelfde principe kan worden gebruikt om halfgeleiders te ontwerpen die warmte anders verspreiden dan conventionele materialen. Naast thermo-elektrische materialen, de aanpak zou kunnen worden gebruikt om de verwarming in elektronica te verminderen en de prestaties van hogesnelheidsapparaten en krachtige lasers te verbeteren.