Forskerhold rapporterer om ny tilgang til simulering af varmeoverførsel i nanoskala

Termoelektriske materialer, som direkte og reversibelt kan omdanne varme til elektrisk energi, bruges i en række forskellige applikationer, herunder køling af elektroniske enheder og spildvarmeenergikonvertering.

En vedvarende udfordring forbundet med termoelektriske materialer er effektivitet - hvis de kunne designes til mere effektivt at omdanne varme til elektricitet, døren ville blive åbnet for en lang række praktiske anvendelser.

For at gøre dem mere effektive, Materialerne skal fungere som en termisk isolator, mens de elektronisk opfører sig som en leder - en funktion, der ikke ofte findes i naturlige materialer.

En forskningsgruppe ledet af Joe Feser, assisterende professor i Department of Mechanical Engineering ved University of Delaware, undersøger grænserne for varmetransport ved hjælp af en række nye værktøjer til termisk måling og simulering i nanoskala, med øje for at skabe materialer, der er mere termoelektrisk effektive.

En almindelig strategi anvendt af hans gruppe er brugen af ​​nanopartikler til at sprede varmebærende vibrationer, kendt som fononer. Holdet udvikler værktøjer til at studere fononspredning, så størrelsen, form, og sammensætning af nanopartikler kan optimeres til termoelektriske applikationer.

Feser og ph.d.-studerende Rohit Kakodkar rapporterede for nylig om en ny tilgang til dette problem i et papir, "En ramme til løsning af atomistiske fononstrukturspredningsproblemer i frekvensdomænet ved hjælp af perfekt matchede laggrænser, "i Journal of Applied Physics .

Den nye ramme reducerer mængden af ​​beregningseffekt, der er nødvendig for at simulere fononspredning, betydeligt og øger den maksimale størrelse af de systemer, der kan studeres ved hjælp af computere.

Feser forklarer, at kontinuummekanikmodeller - som, for effektivitetens skyld, ignorere det faktum, at stof består af atomer - traditionelt bruges til at forklare fænomener som fononspredning. Imidlertid, mens denne tilgang er præcis nok på længdeskalaer større end afstanden mellem atomer, det er muligvis ikke effektivt til at karakterisere adfærden af ​​nanometer-længde bølger, som ofte er de bølgelængder, der er involveret i varmetransport.

Den oplagte løsning er at have simuleringer, der inkluderer en ligning for hvert enkelt atom og sporer adfærden over en længere periode, men det er her, det beregningsmæssige logjam opstår. Traditionelle teknikker som molekylær dynamik er for langsomme til at simulere spredning for hver varmebærende vibration separat, og andre eksisterende teknikker er begrænset i deres evne til at simulere store systemer.

Den atomistiske model udviklet af Feser og Kakodkar kan løse et stort antal atomer ad gangen. "Dybest set er det, vi har gjort, at fjerne den unødvendige fysik og indlejre fakta, vi allerede kender om løsningerne, i løsningsproceduren, ”Siger Feser.

En anden vigtig anvendelse af det nye værktøj er, at det har gjort det muligt for forskere at afgøre langvarige kontroverser om, hvordan man beskriver fysikken i fononer, der støder på grænseflader - dvs. om de rejser sammenhængende på tværs eller spreder sig diffust - og især hvordan uorden ændrer det. Frameworket har også den fordel, at det kan skaleres op til brug med supercomputere, som oplever øget brug til komplekse simuleringer.

Ultimativt, målet er at have præcis kontrol over designet af nye materialer på niveau med deres mindste bestanddele.

"Designet af nye materialer, der skubber grænserne for opnåelige transportegenskaber - dvs. varmeledningsevne, grænsefladekonduktans, Varmekapacitet, og termoelektrisk effektfaktor - vil muliggøre udviklingen af ​​nye enhedsteknologier baseret på disse materialer, " siger Feser.