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  • I frattali aiutano gli sforzi per comprendere il trasporto di calore su scala nanometrica

    I ricercatori hanno utilizzato per la prima volta una moderna teoria del trasporto di calore in esperimenti con semiconduttori utilizzati nei computer, laser e termoelettrici. L'immagine a sinistra mostra un rendering della diffusione del calore in un semiconduttore utilizzando la moderna teoria del trasporto. L'immagine a destra mostra un rendering che utilizza la teoria del trasporto termico convenzionale. Credito:immagine della Purdue University/ Bjorn Vermeersch e Ali Shakouri

    I ricercatori per la prima volta hanno applicato una moderna teoria del trasporto di calore in esperimenti con semiconduttori utilizzati in computer e laser, con implicazioni per la progettazione di dispositivi che convertono il calore di scarto in elettricità e il controllo del surriscaldamento nei componenti elettronici miniaturizzati e ad alta velocità.

    Per più di un secolo il trasporto di calore nei solidi è stato descritto in termini di movimento caotico casuale di "vettori di energia" simile a una goccia di latte che si disperde nel caffè e trasferisce gradualmente calore dalle regioni più calde a quelle più fredde. Però, sulle minuscole distanze di pochi nanometri il moto dell'energia termica si comporta diversamente e assomiglia alla struttura dei frattali, che sono costituiti da modelli che si ripetono all'infinito su scale più piccole.

    "Quando guardiamo al problema del trasporto del calore, ciò che sorprende è che la teoria che usiamo risale a Fourier, che era 200 anni fa, e lo sviluppò per spiegare come cambia la temperatura della Terra, " ha detto Ali Shakouri, Mary Jo e Robert L. Kirk della Purdue University Direttore del Birck Nanotechnology Center e professore di ingegneria elettrica e informatica. "Però, usiamo ancora la stessa teoria alla scala di dimensioni più piccola, diciamo decine di nanometri, e la scala temporale più veloce di centinaia di picosecondi."

    Un team di Purdue e dell'Università della California, Santa Barbara, ha applicato una teoria basata sul lavoro del matematico Paul Lévy negli anni '30, in esperimenti con il semiconduttore indio gallio alluminio arseniuro, che viene utilizzato in transistor e laser ad alta velocità.

    "Il lavoro che abbiamo svolto consiste nell'applicare per la prima volta la teoria di Lévy al trasporto di calore in lavori sperimentali sui materiali reali, "Ha detto Shakuri.

    I risultati saranno presentati a dicembre durante la riunione autunnale della Materials Research Society a Boston. I risultati sono stati dettagliati in un documento di ricerca apparso a luglio sulla rivista Nanolettere e presentato come una storia di copertina.

    La ricerca ha dimostrato che l'inserimento di nanoparticelle costituite dalla lega di arseniuro di erbio riduce notevolmente la conduttività termica e raddoppia l'efficienza termoelettrica del semiconduttore. Le potenziali applicazioni includono sistemi per raccogliere il calore di scarto nei veicoli e nelle centrali elettriche.

    "Per esempio, due terzi dell'energia generata in un'auto viene sprecata sotto forma di calore, " Ha detto Shakouri. "Anche le nostre migliori centrali elettriche sprecano metà o due terzi della loro energia sotto forma di calore, e che il calore potrebbe essere convertito in elettricità con il termoelettrico".

    I dispositivi termoelettrici generano elettricità dal calore, e le loro prestazioni dipendono dall'avere una pronunciata differenza di temperatura - o gradiente - da un lato all'altro del dispositivo. Avere una minore conducibilità termica conserva un maggiore gradiente di temperatura, migliorare le prestazioni

    Le nanoparticelle fanno diminuire di tre volte la conduttività termica del materiale senza modificare la dimensione frattale. Si dice che i portatori di energia - quasiparticelle chiamate fononi - subiscano un movimento "quasiballistico", il che significa che vengono trasportati senza scontrarsi con molte altre particelle, inducendo il calore a condurre con "superdiffusione". L'approccio imita l'effetto degli "occhiali Lévy, " materiali contenenti sfere di vetro che modificano la diffusione della luce passante. Lo stesso principio può essere utilizzato per progettare semiconduttori che diffondono il calore in modo diverso rispetto ai materiali convenzionali. Oltre ai termoelettrici, l'approccio potrebbe essere utilizzato per ridurre il riscaldamento nell'elettronica e migliorare le prestazioni di dispositivi ad alta velocità e laser ad alta potenza.


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