Thermo-elektrische materialen, die warmte direct en omkeerbaar kan omzetten in elektrische energie, worden gebruikt in verschillende toepassingen, inclusief koeling van elektronische apparaten en omzetting van afvalwarmte-energie.

Een hardnekkige uitdaging in verband met thermo-elektrische materialen is efficiëntie - als ze zouden kunnen worden ontworpen om warmte efficiënter om te zetten in elektriciteit, de deur zou worden geopend voor een breed scala aan praktische toepassingen.

Om ze efficiënter te maken, de materialen moeten werken als een thermische isolator terwijl ze zich elektronisch gedragen als een geleider - een kenmerk dat niet vaak wordt aangetroffen in natuurlijke materialen.

Een onderzoeksgroep onder leiding van Joe Feser, assistent-professor aan de afdeling Werktuigbouwkunde van de Universiteit van Delaware, onderzoekt de grenzen van warmtetransport met behulp van een reeks nieuwe tools voor thermische meting en simulatie op nanoschaal, met het oog op het creëren van materialen die thermo-elektrisch efficiënter zijn.

Een veelgebruikte strategie van zijn groep is het gebruik van nanodeeltjes om warmtedragende trillingen te verstrooien, bekend als fononen. Het team ontwikkelt tools om fononverstrooiing te bestuderen, zodat de grootte, vorm, en samenstelling van nanodeeltjes kan worden geoptimaliseerd voor thermo-elektrische toepassingen.

Feser en promovendus Rohit Kakodkar rapporteerden onlangs een nieuwe benadering van dat probleem in een paper, "Een raamwerk voor het oplossen van atomistische fonon-structuurverstrooiingsproblemen in het frequentiedomein met behulp van perfect op elkaar afgestemde laaggrenzen, " in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde .

Het nieuwe raamwerk vermindert de hoeveelheid rekenkracht die nodig is om fononverstrooiing te simuleren aanzienlijk en vergroot de maximale grootte van de systemen die met computers kunnen worden bestudeerd.

Feser legt uit dat continuümmechanica-modellen - die, omwille van de efficiëntie, negeer het feit dat materie uit atomen bestaat - worden traditioneel gebruikt om fenomenen zoals fononverstrooiing te verklaren. Echter, hoewel deze benadering nauwkeurig genoeg is op lengteschalen die groter zijn dan de afstand tussen atomen, het is mogelijk niet effectief bij het karakteriseren van het gedrag van golven met een lengte van nanometers, die vaak de golflengten zijn die betrokken zijn bij warmtetransport.

De voor de hand liggende oplossing is om simulaties te hebben die een vergelijking bevatten voor elk afzonderlijk atoom en het gedrag over een langere periode te volgen, maar dat is waar de computationele logjam optreedt. Traditionele technieken zoals moleculaire dynamica zijn te traag om verstrooiing voor elke warmtedragende vibratie afzonderlijk te simuleren, en andere bestaande technieken zijn beperkt in hun vermogen om grote systemen te simuleren.

Het door Feser en Kakodkar ontwikkelde atomistische model kan een groot aantal atomen tegelijk oplossen. "Wat we eigenlijk hebben gedaan, is de onnodige fysica verwijderen en feiten die we al weten over de oplossingen opnemen in de oplossingsprocedure, ' zegt Fes.

Een ander belangrijk gebruik van de nieuwe tool is dat het onderzoekers in staat heeft gesteld om langdurige controverses op te lossen over hoe de fysica van fononen die interfaces tegenkomen te beschrijven - dat wil zeggen, of ze zich coherent of diffuus verspreiden - en vooral hoe wanorde dat verandert. Het framework heeft ook het voordeel dat het kan worden opgeschaald voor gebruik met supercomputers, die steeds vaker worden gebruikt voor complexe simulaties.

uiteindelijk, het doel is om nauwkeurige controle te hebben over het ontwerp van nieuwe materialen op het niveau van hun kleinste bestanddelen.

"Het ontwerp van nieuwe materialen die de grenzen van haalbare transporteigenschappen verleggen, d.w.z. warmtegeleiding, interfacegeleiding, warmte capaciteit, en thermo-elektrische arbeidsfactor - zal de ontwikkeling mogelijk maken van nieuwe apparaattechnologieën op basis van deze materialen, ' zegt Fes.