Fraktaler hjælper bestræbelserne på at forstå varmetransport på nanoskala

Forskere har for første gang anvendt en moderne teori om varmetransport i eksperimenter med halvledere brugt i computere og lasere, med implikationer for design af enheder, der omdanner spildvarme til elektricitet og kontrol af overophedning i miniaturiserede og højhastigheds elektroniske komponenter.

I mere end et århundrede er varmetransport i faste stoffer blevet beskrevet i form af den tilfældige kaotiske bevægelse af "energibærere", svarende til en mælkedråbe, der spredes i kaffe og gradvist overfører varme fra varmere til koldere områder. Imidlertid, over de små afstande på nogle få nanometer opfører bevægelsen af ​​termisk energi sig anderledes og ligner strukturen af ​​fraktaler, som er opbygget af mønstre, der gentager sig i mindre skalaer i det uendelige.

"Når vi ser på problemet med varmetransport, er det overraskende, at den teori, vi bruger, går tilbage til Fourier, som var for 200 år siden, og han udviklede det for at forklare, hvordan jordens temperatur ændrer sig, " sagde Ali Shakouri, Purdue Universitys Mary Jo og Robert L. Kirk Direktør for Birck Nanotechnology Center og professor i elektro- og computerteknik. "Imidlertid, vi bruger stadig den samme teori i den mindste størrelsesskala, sige snesevis af nanometer, og den hurtigste tidsskala på hundredvis af picosekunder."

Et team fra Purdue og University of California, Santa Barbara, har anvendt en teori baseret på matematikeren Paul Lévys arbejde i 1930'erne, i eksperimenter med halvlederen indium galliumaluminiumarsenid, som bruges i højhastighedstransistorer og lasere.

"Det arbejde, vi har udført, er at anvende Lévy-teorien for første gang til varmetransport i egentligt materialeeksperimentelt arbejde, "Sagde Shakouri.

Fund vil blive præsenteret i december under Materials Research Society efterårsmøde i Boston. Resultaterne blev beskrevet detaljeret i et forskningspapir, der blev offentliggjort i juli i tidsskriftet Nanobogstaver og med som en forsidehistorie.

Forskningen har vist, at indsættelse af nanopartikler lavet af legeringen erbiumarsenid reducerer termisk ledningsevne betydeligt og fordobler den termoelektriske effektivitet af halvlederen. Potentielle anvendelser omfatter systemer til at høste spildvarme i køretøjer og kraftværker.

"For eksempel, to tredjedele af den energi, der genereres i en bil, går til spilde som varme, " sagde Shakouri. "Selv vores bedste kraftværker spilder halvdelen eller to tredjedele af deres energi som varme, og den varme kan konverteres til elektricitet med termoelektrisk. "

Termoelektriske enheder genererer elektricitet fra varme, og deres ydeevne afhænger af at have en udtalt temperaturforskel - eller gradient - fra den ene side af enheden til den anden side. At have lavere varmeledningsevne bevarer en større temperaturgradient, forbedre ydeevnen

Nanopartiklerne får materialets varmeledningsevne til at falde tre gange uden at ændre den fraktale dimension. Energibærerne - kvasipartikler kaldet fononer - siges at gennemgå "kvasiballistisk" bevægelse, hvilket betyder, at de transporteres uden at kollidere med mange andre partikler, får varmen til at lede med "superdiffusion". Fremgangsmåden efterligner effekten af ​​"Lévy-briller, " materialer, der indeholder kugler af glas, der ændrer diffusionen af ​​lys, der passerer igennem. Det samme princip kan bruges til at designe halvledere, der spreder varme anderledes end konventionelle materialer. Ud over termoelektrik, tilgangen kunne bruges til at reducere opvarmning i elektronik og forbedre ydeevnen for højhastighedsenheder og højeffektlasere.