Phonon tunneling forklarer varmeflowet over nanometer-brede huller, undersøgelse finder

Konduktion og termisk stråling er to måder, hvorpå varme overføres fra et objekt til et andet:Konduktion er den proces, hvorved varme strømmer mellem objekter i fysisk kontakt, såsom en kande te på et varmt komfur, mens termisk stråling beskriver varmestrømmen over store afstande, såsom varme udsendt af solen.

Disse to grundlæggende varmeoverførselsprocesser forklarer, hvordan energi bevæger sig på tværs af mikroskopiske og makroskopiske afstande. Men det har været svært for forskere at fastslå, hvordan varmen flyder hen over mellemliggende huller.

Nu forskere ved MIT, University of Oklahoma, og Rutgers University har udviklet en model, der forklarer, hvordan varme flyder mellem objekter adskilt af mellemrum på mindre end en nanometer. Holdet har udviklet en samlet ramme, der beregner varmetransport ved endelige huller, og har vist, at varmestrømmen på subnanometer afstande ikke sker via stråling eller ledning, men gennem "fonontunnel."

Fononer repræsenterer enheder af energi produceret af vibrerende atomer i et krystalgitter. For eksempel, en enkelt krystal af bordsalt indeholder atomer af natrium og chlorid, arrangeret i et gittermønster. Sammen, atomerne vibrerer, skabe mekaniske bølger, der kan transportere varme hen over gitteret.

Normalt er disse bølger, eller fononer, er kun i stand til at transportere varme indeni, og ikke mellem, materialer. Imidlertid, den nye forskning viser, at fononer kan nå over et hul så lille som en nanometer, "tunneling" fra et materiale til et andet for at forbedre varmetransporten.

Forskerne mener, at phonon-tunneling forklarer den fysiske mekanik af energitransport i denne skala, som ikke klart kan henføres til hverken ledning eller stråling.

"Dette er rigtigt i regimet, hvor ledningssprog og stråling er sløret, " siger Vazrik Chiloyan, en MIT -kandidatstuderende i maskinteknik. "Vi forsøger at komme med et klart billede af, hvad fysikken er i dette regime. Nu har vi samlet information for at demonstrere, at tunneling er, faktisk, hvad sker der for varmeoverførselsbilledet."

Chiloyan og Gang Chen, Carl Richard Soderberg professor i Power Engineering og leder af MIT's Department of Mechanical Engineering, offentliggør deres resultater i denne uge Naturkommunikation .

Rydder det termiske billede

I de sidste par årtier, forskere har forsøgt at definere varmetransport over stadigt mindre afstande. Flere grupper, herunder Chens, har eksperimentelt målt varmestrømmen ved termisk stråling på tværs af huller så små som titusvis af nanometer. Imidlertid, efterhånden som eksperimenter flytter til endnu mindre afstand, forskere har sat spørgsmålstegn ved gyldigheden af ​​nuværende teorier:Eksisterende modeller har i vid udstrækning været baseret på teorier for termisk stråling, som Chiloyan siger "smurte atomare detaljer ud, "Forenkler varmestrømmen fra atom til atom.

I modsætning, der eksisterer en teori for varmeledning - kendt som Greens funktioner - der beskriver varmestrømmen på atomniveau for materialer i kontakt. Teorien giver forskere mulighed for at beregne frekvensen af ​​vibrationer, der kan bevæge sig over grænsefladen mellem to materialer.

"Men med Greens funktioner, atom-til-atom interaktioner har en tendens til at falde af efter nogle få naboer. ... Du ville kunstigt forudsige nul varmeoverførsel efter et par atomseparationer, " siger Chiloyan. "For faktisk at forudsige varmeoverførslen over mellemrummet, du skal inkludere langtrækkende, elektromagnetiske kræfter."

Typisk, elektromagnetiske kræfter kan beskrives ved Maxwells ligninger - et sæt af fire fundamentale ligninger, der skitserer opførselen af ​​elektricitet og magnetisme. For at forklare varmeoverførsel i mikroskopisk skala, imidlertid, Chiloyan og Chen måtte grave den mindre kendte form op, kendt som mikroskopiske Maxwells ligninger.

"De fleste mennesker ved nok ikke, at der eksisterer en mikroskopisk Maxwells ligning, og vi var nødt til at gå til det niveau for at bygge bro over atombilledet, " siger Chen.

Lukker hullet

Holdet udviklede en model for varmetransport, baseret på både Greens funktioner og mikroskopiske Maxwells ligninger. Forskerne brugte modellen til at forudsige varmestrømmen mellem to gitter af natriumchlorid, eller bordsalt, adskilt af et nanometer bredt mellemrum.

Med modellen, Chiloyan og Chen var i stand til at beregne og opsummere de elektromagnetiske felter, der udsendes af individuelle atomer, baseret på deres positioner og kræfter inden for hvert gitter. Mens atomare vibrationer, eller fononer, kan typisk ikke transportere varme over afstande større end nogle få atomer, holdet fandt ud af, at atomernes summerede elektromagnetiske kraft kan skabe en "bro", som fononer kan krydse.

Da de modellerede varmestrømmen mellem to natriumchloridgitre, forskerne fandt ud af, at varme strømmede fra det ene gitter til det andet via fonon-tunneling, ved mellemrum på en nanometer og mindre.

Ved sub-nanometer-gab "er et regime, hvor vi mangler ordentligt sprog, " siger Chen. "Nu har vi udviklet en ramme til at forklare denne fundamentale overgang, bygge bro over det hul."