Hot nanostrukturer køler hurtigere ned, når de er fysisk tæt på hinanden

En komplet beskrivelse af nanoskala termisk transport er et grundlæggende problem, der har trodset forståelsen i årtier. Her, forskere afdækker et nyt regime for termisk transport i nærheden af ​​nanoskala strukturer, hvor kontraintuitivt, nanoskala hot spots afkøles hurtigere, når de placeres tæt sammen, end når de er vidt adskilte.

Dette fund tyder på nye tilgange til håndtering af den betydelige udfordring ved varmestyring i nanosystemer, med designimplikationer for integrerede kredsløb, termoelektriske enheder, nanopartikelmedierede termiske terapier, og nanoenhanced fotovoltaik til forbedring af ren energi teknologier.

En stor udfordring i halvleder- og elektronikindustrien er, at efterhånden som nanoskala funktioner bliver mindre og processer bliver hurtigere, betydelige mængder varme skal hurtigt ledes væk fra nanostrukturer. Et hold fra JILA, University of Colorado, og Lawrence Berkeley National Laboratory fandt en kontra-intuitiv opdagelse-det er meget lettere at afkøle varme nanostrukturer, når de er arrangeret tæt sammen snarere end langt fra hinanden. Dette resultat er spændende inden for termisk transport, fordi det samme team i 2010 viste, at små, isolerede hotspots er, faktisk, ret udfordrende at afkøle. I de nuværende forsøg, teamet mønstrede en række nanostrukturer på forskellige materialer. Da nanostrukturer blev opvarmet med en infrarød laser, de udsendte fononer (gittervibrationer), som rejste ind i substratet og kolliderede med andre fononer, fjerner varmen.

Da nanostrukturer blev placeret tæt sammen, køling var mere effektiv, fordi det var ligegyldigt, om de interagerende fononer kom fra den samme store varme nanostruktur eller tilstødende små varme nanostrukturer. Dermed, paradoksalt nok, arrangerer de varme nanostrukturer tættere sammen faktisk forbedret varmeafledning. Disse eksperimenter gjorde det muligt for forskerne at bestemme, hvilke gittervibrationer der transporterer varme væk fra en varm region og også at forudsige nye måder at konstruere kølehastigheden i et materiale på.