De første videoer nogensinde viser, hvordan varme bevæger sig gennem materialer på nanoskalaen og lydens hastighed

Ved hjælp af et avanceret ultrahurtigt elektronmikroskop, Forskere fra University of Minnesota har optaget de første videoer nogensinde, der viser, hvordan varme bevæger sig gennem materialer på nanoskala og bevæger sig med lydens hastighed.

Forskningen, offentliggjort i dag i Naturkommunikation , giver hidtil uset indsigt i roller, der spilles af individuelle atomare og nanoskalafunktioner, der kunne hjælpe med udformningen af ​​bedre, mere effektive materialer med en bred vifte af anvendelser, fra personlig elektronik til alternative energiteknologier.

Energi i form af varme påvirker alle teknologier og er en vigtig faktor i, hvordan elektroniske enheder og offentlig infrastruktur designes og konstrueres. Det er også den største form for spildenergi i kritiske applikationer, herunder kraftoverførsel og især transport, hvor, for eksempel, omkring 70 procent af energien i benzin spildes som varme i bilmotorer.

Materialeforskere og ingeniører har brugt årtier på at forske i, hvordan man kontrollerer termisk energi på atomniveau for at genbruge og bruge den til dramatisk at øge effektiviteten og i sidste ende nedbringe brugen af ​​fossile brændstoffer. Sådant arbejde ville være meget hjulpet ved faktisk at se varmen bevæge sig gennem materialer, men at fange billeder af de grundlæggende fysiske processer i hjertet af termisk energibevægelse har givet enorme udfordringer. Dette skyldes, at de grundlæggende længdeskalaer er nanometer (en milliardtedel af en meter), og hastighederne kan være mange miles i sekundet. Sådanne ekstreme forhold har gjort billeddannelsen af ​​denne allestedsnærværende proces ekstraordinært udfordrende.

For at overvinde disse udfordringer og se bevægelsen af ​​varmeenergi, forskerne brugte et banebrydende FEI Tecnai Femto ultrahurtigt elektronmikroskop (UEM), der var i stand til at undersøge dynamikken i materialer på atom- og molekylær skala over tidsrum målt i femtosekunder (en milliontedel af en milliardtedel af et sekund). I dette arbejde, forskerne brugte en kort laserpuls til at excitere elektroner og meget hurtigt opvarme krystallinske halvledende materialer af wolframdiselenid og germanium. De optog derefter slowmotion-videoer (sænket med over en milliard gange den normale hastighed) af de resulterende bølger af energi, der bevægede sig gennem krystallerne.

"Så snart vi så bølgerne, vi vidste, at det var en ekstremt spændende observation, " sagde ledende forsker David Flannigan, en assisterende professor i kemiteknik og materialevidenskab ved University of Minnesota. "Faktisk at se denne proces ske på nanoskala er en drøm, der går i opfyldelse."

Flannigan sagde, at varmebevægelsen gennem materialet ligner krusninger på en dam, efter at en småsten er tabt i vandet. Videoerne viser bølger af energi, der bevæger sig med omkring 6 nanometer (0,000000006 meter) pr. picosekund (0,000000000001 sekund). Kortlægning af energisvingninger, kaldet fononer, på nanoskalaen er afgørende for at udvikle en detaljeret forståelse af det grundlæggende i termisk energibevægelse.

"I mange applikationer, videnskabsmænd og ingeniører ønsker at forstå termisk energibevægelse, kontrollere det, samle det, og præcist guide den til at udføre nyttigt arbejde eller meget hurtigt flytte den væk fra følsomme komponenter, " sagde Flannigan. "Fordi længderne og tiderne er så små og så hurtige, det har været meget svært at forstå i detaljer, hvordan dette sker i materialer, der har ufuldkommenheder, som stort set alle materialer gør. Bogstaveligt talt at se denne proces ske ville gå meget langt i at opbygge vores forståelse, og nu kan vi gøre netop det."