Styring af varmeflow med præcision på atomniveau

Gennem en kombination af design i atomskala og ultrahurtige målinger, forskere ved University of Illinois har afsløret ny indsigt om, hvordan varme flyder over en grænseflade mellem to materialer.

Forskerne viste, at et enkelt lag af atomer kan forstyrre eller forbedre varmestrømmen over en grænseflade. Deres resultater offentliggøres i denne uge i Nature Materials.

Forbedret kontrol af varmeudveksling er et nøgleelement til at forbedre ydeevnen af ​​nuværende teknologier såsom integrerede kredsløb og forbrændingsmotorer samt nye teknologier såsom termoelektriske enheder, som høster vedvarende energi fra spildvarme. Imidlertid, at opnå kontrol hæmmes af en ufuldstændig forståelse af, hvordan varme ledes gennem og mellem materialer.

"Varme bevæger sig gennem elektrisk isolerende materiale via 'fononer, ' som er kollektive vibrationer af atomer, der bevæger sig som bølger gennem et materiale, " sagde David Cahill, en Willett-professor og leder af materialevidenskab og teknik i Illinois og medforfatter af papiret. "Sammenlignet med vores viden om, hvordan elektricitet og lys bevæger sig gennem materialer, videnskabsmænds viden om varmeflow er ret rudimentær."

En af grundene til, at sådan viden stadig er undvigende, er vanskeligheden ved nøjagtigt at måle temperaturer, især i små skalaer og over korte tidsperioder – de parametre, som mange mikro- og nanoenheder opererer under.

I løbet af det seneste årti, Cahills gruppe har forfinet en måleteknik ved hjælp af meget korte laserimpulser, varer kun en billiontedel af et sekund, at sondere varmestrømmen nøjagtigt med opløsning i nanometerdybde. Cahill gik sammen med Paul Braun, Racheff -professor i materialevidenskab og teknik ved U. of I. og leder inden for syntese af nanoskala materialer, at anvende teknikken til at forstå, hvordan egenskaber på atomare skala påvirker varmetransport.

"Disse eksperimenter brugte en 'molekylær sandwich', der gjorde det muligt for os at manipulere og studere den effekt, som kemi ved grænsefladen har på varmestrømmen, på atomær skala, " sagde Braun.

Forskerne samlede deres molekylære sandwich ved først at afsætte et enkelt lag molekyler på en kvartsoverflade. Næste, gennem en teknik kendt som transfer-printing, de placerede en meget tynd guldfilm oven på disse molekyler. Derefter påførte de en varmepuls på guldlaget og målte, hvordan det rejste gennem sandwichen til kvartsen i bunden.

Ved kun at justere sammensætningen af ​​molekylerne i kontakt med guldlaget, gruppen observerede en ændring i varmeoverførsel afhængigt af hvor stærkt molekylet bundet til guldet. De påviste, at stærkere binding gav en dobbelt stigning i varmestrømmen.

"Denne variation i varmeflow kunne være meget større i andre systemer, " sagde Mark Losego, der ledede denne forskningsindsats som postdoktor ved Illinois og nu er forskningsprofessor ved North Carolina State University. "Hvis vibrationstilstandene for de to faste stoffer var mere ens, vi kunne forvente ændringer på op til en faktor på 10 eller mere."

Forskerne brugte også deres evne til systematisk at justere grænsefladekemien for at indstille en varmestrømsværdi mellem de to yderpunkter, at verificere evnen til at bruge denne viden til at designe materialesystemer med ønskede termiske transportegenskaber.

"Vi har dybest set vist, at ændring af selv et enkelt lag af atomer ved grænsefladen mellem to materialer i væsentlig grad påvirker varmestrømmen over denne grænseflade, "sagde Losego.

Videnskabeligt set, dette arbejde åbner op for nye forskningsmuligheder. Illinois-gruppen arbejder allerede hen imod en dybere grundlæggende forståelse af varmeoverførsel ved at forfine målemetoder til kvantificering af grænsefladebindingsstivhed, samt undersøgelse af temperaturafhængighed, som vil afsløre et bedre grundlæggende billede af, hvordan ændringerne i grænsefladekemien forstyrrer eller øger varmestrømmen over grænsefladen.

"I mange år, de fysiske modeller for varmestrømning mellem to materialer har ignoreret kendetegnene på atomniveau ved en grænseflade, " sagde Cahill. "Nu skal disse teorier raffineres. De eksperimentelle metoder, der er udviklet her, vil hjælpe med at kvantificere, i hvilket omfang grænsefladestrukturelle træk bidrager til varmestrømmen og vil blive brugt til at validere disse nye teorier."

Braun og Cahill er tilknyttet Frederick Seitz Materials Research Laboratory ved U. of I. Braun er også tilknyttet afdelingen for kemi og Beckman Institute for Advanced Science and Technology. Air Force Office of Scientific Research støttede dette arbejde.