Wetenschappers van de Universiteit van Osaka hebben warmtetransport op de kleinste schalen gesimuleerd met behulp van een computersimulatie van moleculaire dynamica. Door de bewegingen te bestuderen van de afzonderlijke deeltjes die de grens vormen tussen een vaste stof en een vloeistof, hebben ze de warmteflux met ongekende precisie kunnen berekenen. Dit werk kan leiden tot aanzienlijke verbeteringen in ons vermogen om apparaten op nanoschaal te fabriceren, evenals functionele oppervlakken en nanofluïdische apparaten.

Het proces waarbij warmte wordt overgedragen op het punt waar een vaste stof een vloeistof ontmoet, lijkt misschien een eenvoudig natuurkundig probleem. Traditioneel werden macroscopische grootheden, zoals dichtheid, druk, temperatuur en warmtecapaciteit, gebruikt om de snelheid te berekenen waarmee thermische energie tussen materialen beweegt. Echter, goed rekening houden met de beweging van individuele moleculen, met inachtneming van de wetten van behoud van energie en momentum, voegt veel complexiteit toe. Verbeterde computersimulaties op atomaire schaal zouden van onschatbare waarde zijn om een ​​breed scala aan toepassingen in de echte wereld beter te begrijpen, vooral op het gebied van nanotechnologie.

Nu heeft een team van onderzoekers van de Universiteit van Osaka een nieuwe numerieke techniek ontwikkeld om voor het eerst een gemodelleerde warmteflux op atomaire schaal te visualiseren. "Om thermisch transport door een vast-vloeibaar grensvlak fundamenteel te begrijpen, moeten de transporteigenschappen van atomen en moleculen worden overwogen", legt de eerste auteur van de studie uit, Kunio Fujiwara. "We hebben de warmtestroom gemodelleerd in de buurt van een vast-vloeibaar grensvlakgebied met subatomaire ruimtelijke resolutie met behulp van klassieke moleculaire dynamische simulaties. Hierdoor konden we afbeeldingen maken van de driedimensionale structuur van de energiestroom terwijl warmte tussen de lagen werd overgedragen ."

Met behulp van het populaire Lennard-Jones-potentieel om de interacties tussen aangrenzende atomen te berekenen, ontdekte het team dat de richting van de warmtestroom sterk afhangt van de subatomaire spanningen in de structuren van de vaste stoffen of vloeistoffen.

"Vroeger was er geen goede manier om de warmtestroom op atomaire schaal te visualiseren", zegt senior auteur Masahiko Shibahara. "Deze bevindingen moeten ons in staat stellen om het thermische transport op te helderen en aan te passen op basis van de 3D-warmtefluxconfiguratie."

Hierdoor kan op maat gemaakte fabricage op nanoschaal efficiënter worden uitgevoerd. + Verder verkennen

Antropogene warmtestroom verhoogt de frequentie van extreme hitte-evenementen