Kan varme styres som bølger?

En voksende interesse for termoelektriske materialer - som omdanner spildvarme til elektricitet - og tryk for at forbedre varmeoverførslen fra stadig stærkere mikroelektroniske enheder har ført til forbedret teoretisk og eksperimentel forståelse af, hvordan varme transporteres gennem materialer i nanometerskala.

Nyere forskning har fokuseret på muligheden for at bruge interferenseffekter i fononbølger til at kontrollere varmetransport i materialer. Bølgeinterferens bruges allerede til at styre elektronisk, fotoniske og akustiske enheder. Hvis en lignende tilgang kan bruges i termisk transport, som kunne lette udviklingen af ​​mere effektive termoelektriske og nanoelektroniske enheder, forbedrede termiske barrierebelægninger, og nye materialer med ultralav varmeledningsevne.

En fremskridtsartikel offentliggjort 23. juni i tidsskriftet Naturmaterialer beskriver den seneste udvikling og forudsiger fremtidige fremskridt inden for fononbølgeinterferens og termiske båndgab-materialer.

"Hvis du kan få varme til at opføre sig som en bølge og have interferens, mens du kontrollerer, hvor langt den bevæger sig, du kunne stort set kontrollere alle egenskaberne bag varmetransport, sagde Martin Maldovan, en assisterende professor ved School of Chemical and Biomolecular Engineering og School of Physics ved Georgia Institute of Technology, og avisens forfatter. "Dette ville være en helt ny måde at forstå og manipulere varme på."

I den klassiske definition, varme består af vibrationer i materialers atomgitre. Jo flere vibrationer i et materiales struktur, jo varmere materialet. Og på samme måde som hvidt lys faktisk er sammensat af mange forskellige lysfarver, disse termiske fononer består af mange forskellige frekvenser - hver bærer varierende mængder varme.

Den seneste udvikling har vist, at termiske fononer kan forstyrre deres egne refleksioner. Observationen antyder, at termiske fononer skal eksistere som bølger svarende til elektroniske, fotoniske eller akustiske bølger. Denne interferens kan potentielt bruges til at ændre hastigheden af ​​fononer og tætheden af ​​tilstande, skabe energibåndgab, der er forbudt for fononbølger. Udnyttelse af lignende båndgab i optiske og elektroniske materialer har været nøglen til at udvikle en bred vifte af nyttige enheder.

Indtil nu, varmetransport i nanostrukturerede materialer er i vid udstrækning blevet kontrolleret ved introduktion af urenheder på atomare skala, grænseflader, overflader og nanopartikler, der reducerer varmestrømmen ved at sprede fononerne diffust. Styring af bølgeeffekter kunne lette nye tilgange, der involverer spejlende refleksion og transmission af termiske vibrationer ved grænseflader.

"I betragtning af den bemærkelsesværdige succes opnået ved brug af elektronisk, fotonisk og fononisk bølgeinterferens til at manipulere elektroner, lys og lydbølger, det er bestemt værdifuldt at udvide disse teorier til termiske vibrationer, derved skabes en fundamentalt ny tilgang til at manipulere varmestrømmen, " skrev Maldovan i avisen.

Termoelektriske materialer opfanger spildvarme fra kilder såsom biludstødninger eller industrielle processer til at producere elektricitet. Forbedring af disse materialer vil kræve yderligere reduktion af termisk ledningsevne for at forbedre deres effektivitet.

På den anden side, mikroelektronikdesignere ønsker at øge den termiske ledningsevne for at overføre varme væk fra kraftige og små enheder. Udviklere af brændselsceller og andre konverteringsanordninger skal også forbedre kontrollen af ​​varme.

Maldovan skrev artiklen for at afklare spørgsmål involveret i termisk transport, og at interessere andre i feltet. Ultimativt, forskere vil bruge denne nye information om varmetransport til at designe bedre materialer.

"Disse nye bølgefænomener kan bruges til at skabe materialer med lav varmeledningsevne, " sagde Maldovan. "Vi forsøger at skabe et termisk båndgab, men det er ikke så let at gøre."

Søgningen efter termiske fononiske bølgematerialer vil fokusere på halvledere meget som dem, der bruges i mikroelektronik, sagde Maldovan. Men mens silicium brugt i mikroelektronik havde et naturligt båndgab, videnskabsmænd måtte skabe et båndgab i fotonik og akustiske materialer, og det samme vil være tilfældet for termiske materialer. Sandsynlige materialer inkluderer silicium-germanium, gallium og aluminium arsenid og visse oxid supergitter.

Forskere har i mange år fokuseret på, hvor langt varme må transporteres i materialer. For fremtiden, forskning vil tage fat på hastigheden af ​​denne transport, og hvor meget varme der flyttes i processen, Maldovan forudsagde. Han sammenligner varmetransport med et mere velkendt problem - menneskelig transport.

"Hvis du vil flytte mange mennesker, du har brug for en bus, der kan transportere en masse mennesker, " sagde han. "Du vil også have et køretøj, der kan bevæge sig hurtigt, for hvis du bevæger dig hurtigere, du kan transportere flere mennesker længere på kortere tid."

De næste par år bør medføre en væsentlig afklaring af interferens og båndgab's rolle i termiske materialer. Maldovan forudsagde. Det vil tillade fortsat fremskridt i de materialer, der er nødvendige til termisk kontrol.

"Det er nu en meget cool ting at forstå varme, " han sagde.