Beregninger afslører, hvordan blandinger af forskellige grundstoffer kan kontrollere de termiske egenskaber af nanotråde

En matematisk model af varmestrøm gennem miniature ledninger kunne hjælpe med at udvikle termoelektriske enheder, der effektivt omdanner varme - selv deres egen spildvarme - til elektricitet.

Udviklet hos A*STAR, modellen beskriver bevægelsen af ​​vibrationer kaldet fononer, som er ansvarlige for at transportere varme i isoleringsmaterialer. Fononer bevæger sig typisk i lige linjer i nanotråde - tråde knap et par atomer brede. Tidligere beregninger antydede, at hvis dele af en nanotråd indeholdt tilfældige arrangementer af to forskellige typer atomer, fononer ville blive stoppet i deres spor. I egentlige legerede nanotråde, selvom, atomer af det samme grundstof kan klynge sig sammen for at danne korte sektioner sammensat af de samme elementer.

Nu, Zhun-Yong Ong og Gang Zhang fra A*STAR Institute of High Performance Computing i Singapore har beregnet virkningerne af en sådan kort rækkefølge på fononernes opførsel. Deres resultater tyder på, at varmeledning i en nanotråd ikke kun afhænger af de relative koncentrationer af legeringsatomerne og forskellen i deres masser; det afhænger også af hvordan atomerne er fordelt.

Deres model simulerede en 88 mikrometer lang nanotråd indeholdende 160, 000 atomer af to forskellige grundstoffer. De fandt ud af, at når nanotråden var mere ordnet - indeholdende klynger af de samme elementer - kæmpede lavfrekvente fononer med at bevæge sig. I modsætning, højfrekvente fononer kunne rejse meget længere end den gennemsnitlige længde af de ordnede områder i legeringen. "Højfrekvente fononer var mere mobile, end vi havde forestillet os, " siger Ong.

Forskerne brugte deres model til at studere den termiske modstand af en nanotråd, der indeholder en lige blanding af silicium- og germaniumatomer. Kortrækkende rækkefølge af atomerne gjorde det muligt for højfrekvente fononer at bevæge sig frit gennem ledningen, giver den en relativt lav termisk modstand. I modsætning, en tilfældig fordeling af legeringsatomer resulterede i en højere modstand - over det tredobbelte af det bestilte tilfælde for en 2,5 mikrometer lang ledning. "Hvis denne lidelse kan realiseres i ægte kompositmaterialer, så kunne vi skræddersy systemets termiske ledningsevne, " siger Ong.

At forstå det relative bidrag fra lav- og højfrekvente fononer til varmeledning kan også hjælpe forskere med at justere de termiske egenskaber af nanotråde i laboratoriet. "For eksempel, overfladeruheden af ​​nanotråde er kendt for at reducere den termiske ledningsevnebidrag fra højfrekvente fononer, " siger Ong.

Forskerne håber, at deres model vil hjælpe forskere med at designe kompositmaterialer med lav varmeledningsevne. En attraktiv applikation er termoelektriske enheder, forklarer Ong. "Da disse enheder er afhængige af en termisk differential, en lav varmeledningsevne er ønskelig for optimal ydeevne."