Un creciente interés en los materiales termoeléctricos, que convierten el calor residual en electricidad, y la presión para mejorar la transferencia de calor desde dispositivos microelectrónicos cada vez más potentes han llevado a una mejor comprensión teórica y experimental de cómo se transporta el calor a través de materiales a escala nanométrica.
Investigaciones recientes se han centrado en la posibilidad de utilizar efectos de interferencia en las ondas fonónicas para controlar el transporte de calor en los materiales. La interferencia de las ondas ya se utiliza para controlar dispositivos electrónicos, fotónicos y acústicos. Si se puede utilizar un enfoque similar en el transporte térmico, eso podríafacilitar el desarrollo de dispositivos termoeléctricos y nanoelectrónicos más eficientes, recubrimientos de barrera térmica mejorados y nuevos materiales con conductividad térmica ultrabaja.
Un artículo de progreso publicado el 23 de junio en la revista Materiales de la naturaleza describe desarrollos recientes y predice avances futuros en interferencia de ondas fonónicas y materiales de banda prohibida térmica.
"Si puede hacer que el calor se comporte como una onda y tenga interferencia mientras controla qué tan lejos se mueve, básicamente podría controlar todas las propiedades detrás del transporte de calor", dijo Martin Maldovan, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular yEscuela de Física del Instituto de Tecnología de Georgia y autor del artículo: "Esta sería una forma completamente nueva de comprender y manipular el calor".
En la definición clásica, el calor consiste en vibraciones en las redes atómicas de los materiales. Cuantas más vibraciones en la estructura de un material, más caliente es el material. Y de la misma manera que la luz blanca está compuesta de muchos colores diferentes de luz, estosLos fonones térmicos están formados por muchas frecuencias diferentes, cada una con cantidades variables de calor.
Desarrollos recientes han demostrado que los fonones térmicos pueden interferir con sus propios reflejos. La observación sugiere que los fonones térmicos deben existir como ondas similares a las ondas electrónicas, fotónicas o acústicas. Esta interferencia podría usarse potencialmente para modificar la velocidad de los fonones y la densidadde estados, la creación de bandas de energía prohibidas para las ondas fonónicas. La utilización de bandas de banda similares en materiales ópticos y electrónicos ha sido clave para desarrollar una amplia gama de dispositivos útiles.
Hasta ahora, el transporte de calor en materiales nanoestructurados se ha controlado en gran medida mediante la introducción de impurezas, interfaces, superficies y nanopartículas a escala atómica que reducen el flujo de calor al dispersar los fonones de forma difusa. El control de los efectos de onda podría facilitar nuevos enfoques que involucran la reflexión y transmisión especularde vibraciones térmicas en las interfaces.
"Teniendo en cuenta el notable éxito alcanzado al utilizar la interferencia de ondas electrónicas, fotónicas y fonónicas para manipular electrones, ondas de luz y sonido, es ciertamente valioso extender estas teorías a las vibraciones térmicas, creando así un enfoque fundamentalmente nuevo para manipular el flujo de calor".Maldovan escribió en el periódico.
Los materiales termoeléctricos capturan el calor residual de fuentes tales como escapes de automóviles o procesos industriales para producir electricidad. Mejorar estos materiales requerirá una mayor conductividad térmica para mejorar su eficiencia.
Por otro lado, los diseñadores de microelectrónica desean aumentar la conductividad térmica para transferir el calor lejos de dispositivos potentes y pequeños. Los desarrolladores de celdas de combustible y otros dispositivos de conversión también necesitan mejorar el control del calor.
Maldovan escribió el artículo para aclarar los problemas relacionados con el transporte térmico y para interesar a otros en el campo. Finalmente, los investigadores utilizarán esta nueva información sobre el transporte de calor para diseñar mejores materiales.
"Estos nuevos fenómenos de olas se pueden usar para crear materiales con baja conductividad térmica", dijo Maldovan. "Estamos tratando de crear un intervalo de banda térmica, pero eso no es tan fácil de hacer".
La búsqueda de materiales de ondas fonónicas térmicas se centrará en semiconductores muy parecidos a los utilizados en microelectrónica, dijo Maldovan. Pero aunque el silicio utilizado en microelectrónica tenía una banda prohibida natural, los científicos tuvieron que crear una brecha de banda en fotónica y materiales acústicos, y ello mismo será cierto para los materiales térmicos. Los materiales probables incluyen silicio-germanio, arseniuro de galio y aluminio y ciertas superredes de óxido.
Los investigadores se han centrado durante muchos años en qué tan lejos puede transportarse el calor en los materiales. Para el futuro, la investigación abordará la velocidad de ese transporte y cuánto calor se mueve en el proceso, predijo Maldovan. Compara el transporte de calor con unproblema más familiar: transporte humano.
"Si quieres mover a mucha gente, necesitas un autobús que lleve a muchas personas", dijo. "También quieres un vehículo que pueda moverse rápidamente porque si te mueves más rápido, puedes transportar a más personas".más lejos en menos tiempo "
Maldovan predijo que en los próximos años debería haber una aclaración significativa sobre el papel de la interferencia y las brechas de banda en los materiales térmicos. Eso permitirá un progreso continuo en los materiales necesarios para el control térmico.
"Ahora es algo genial entender el calor", dijo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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