Nuove scoperte hanno risolto un ostacolo di lunga data nella ricerca per comprendere gli effetti della conduzione del calore nei materiali solidi, un problema critico in molte applicazioni, dalla conversione dell'energia al raffreddamento dell'elettronica.

La scoperta potrebbe aiutare gli sforzi per migliorare una serie di tecnologie tra cui dispositivi termoelettrici, che trasformano il calore in elettricità; rivestimenti a barriera termica come quelli utilizzati per proteggere le pale dei motori a turbina dal riscaldamento estremo; dissipatori di calore per il raffreddamento dell'elettronica; combustibili nucleari; e la ricerca sul trasferimento di calore allo stato solido in generale.

La ricerca riguarda il ruolo cruciale dei "fononi, " Fenomeni quantomeccanici che descrivono come le vibrazioni viaggiano attraverso la struttura cristallina di un materiale. I fononi interagiscono, a volte combinandosi e scomponendosi in nuovi fononi, cambiare direzione e comportamento.

Questa "dispersione" è fondamentale per il modo in cui un materiale conduce il calore. Fino ad ora, i ricercatori sono stati in grado di modellare realisticamente solo le interazioni di tre fononi. Nelle nuove scoperte, però, ricercatori della Purdue University e dell'Oak Ridge National Laboratory hanno mostrato come modellare accuratamente le interazioni di quattro fononi e il loro effetto sul flusso di calore.

"Essere in grado di prevedere la diffusione a quattro fononi è stata una sfida lunga decenni, " disse Xiulin Ruan, un professore di ingegneria meccanica alla Purdue.

Le interazioni a quattro fononi sono state a lungo ignorate, in parte perché erano considerati trascurabili e i ricercatori non sapevano come modellarli.

"Ora abbiamo mostrato chiaramente l'importanza della diffusione a quattro fononi, " Egli ha detto.

I risultati sono stati dettagliati in un articolo apparso online nel mese di ottobre sulla rivista Revisione fisica B . È stato evidenziato come un documento "Rapid Communications", poiché i risultati sono particolarmente tempestivi e pertinenti. Il documento è stato co-autore dell'ex studente di dottorato della Purdue Tianli Feng, che ora è ricercatore post-dottorato presso la Vanderbilt University e l'Oak Ridge National Laboratory; il ricercatore di Oak Ridge Lucas Lindsay; e Ruan.

Fino ad ora, simulare lo scattering di quattro fononi ha richiesto 10, 000 volte le risorse computazionali come scattering di tre fononi, rendendo impossibile eseguire previsioni teoriche di qualità. Però, il team di Purdue ha sviluppato un nuovo metodo per eseguire i calcoli teorici e ottimizzato la simulazione dello scattering a quattro fononi, riducendo le risorse di calcolo necessarie.

"È una nuova immagine fisica, " Feng ha detto. "Il meccanismo della diffusione a quattro fononi era già noto, ma nessuno sapeva come fare le previsioni teoriche o come valutarne l'importanza, che sono ciò che abbiamo raggiunto."

Essere in grado di incorporare i dati dei quattro fononi nei calcoli aiuterà i ricercatori a sviluppare nuovi materiali. I materiali ad altissima conduttività termica sono ideali per dissipatori di calore, mentre quelli a bassa conducibilità termica sono adatti per applicazioni termoelettriche e rivestimenti a barriera termica.

Le nuove scoperte dimostrano che solo l'utilizzo della diffusione a tre fononi nei calcoli produce risultati che sovrastimano le prestazioni di alcuni materiali mentre sottovalutano le prestazioni di altri.

"Il quadro rigoroso sviluppato dal gruppo di ricerca per includere lo scattering a quattro fononi è nuovo e di significativa importanza scientifica, " ha detto Alan McGaughey, professore di ingegneria meccanica alla Carnegie Mellon University. "Le loro scoperte gettano una luce importante sulle precedenti previsioni teoriche e misurazioni sperimentali, e contribuirà a guidare lo sviluppo di nuovi materiali per un'ampia gamma di applicazioni. Di particolare rilievo è la possibilità di stabilire limiti su quanto può essere alta o bassa la conduttività termica in un intervallo di temperature".

I ricercatori stanno sviluppando alternative al diamante per applicazioni come i dissipatori di calore per il raffreddamento dell'elettronica. Una tale potenziale alternativa, chiamati arseniuri di boro zinco-blenda, è stato dimostrato nei calcoli teorici per rivaleggiare con il diamante nella conduttività termica.

Però, nuove scoperte che applicano la diffusione a quattro fononi mostrano che le previsioni precedenti avevano sovrastimato il potenziale del materiale di oltre il 50 percento a temperatura ambiente e ancora di più a temperature più elevate. Nel frattempo, precedenti previsioni teoriche hanno mostrato di sottovalutare il potenziale dei materiali a base di silicio per applicazioni termoelettriche ad alte temperature.

"Quello che dimostriamo qui è che il limite superiore teorico non è così alto come si pensava in precedenza per l'arseniuro di boro di miscela di zinco, "Ha detto Lindsay. "Tuttavia, la sua conduttività prevista è ancora molto più alta della maggior parte dei materiali, ed è ancora un sistema promettente".

La ricerca, che è stato del tutto teorico, può spiegare la precedente discrepanza tra la conduttività termica prevista e quella sperimentale del silicio ad alta temperatura. Si espanderà per includere più esperimenti di laboratorio.