(PhysOrg.com) -- Uno sforzo di due anni dell'Air Force Office of Scientific Research Iniziative di ricerca universitaria multidisciplinare che coinvolge l'Università del Michigan, Università di Stanford, Università Brown, e l'Università della California a Santa Cruz sta facendo grandi passi avanti nel raggiungimento di una comprensione fondamentale del trasferimento di calore alle interfacce.

"Miriamo a raggiungere questo obiettivo applicando tecniche all'avanguardia da diverse discipline per arrivare a una serie di regole di progettazione per interfacce ingegneristiche con proprietà termiche desiderate, " ha detto il dottor Kevin Pipe, un professore di Ingegneria Meccanica presso l'Università del Michigan che sta guidando il progetto.

Il trasferimento di calore è importante per le prestazioni, Requisiti di alimentazione, e l'affidabilità di molti sistemi militari e commerciali compresi i frigoriferi termoelettrici, sistemi di recupero del calore residuo, dissipatori di calore, elettronica di potenza, rivestimenti a barriera termica, e materiali di interfaccia termica.

"I recenti progressi nella nanoscienza hanno consentito il controllo preciso della struttura fisica e chimica dell'interfaccia, ma la fisica fondamentale che collega questa struttura su nanoscala con il trasporto termico non è ancora ben sviluppata, inibendo l'ingegnerizzazione di interfacce con proprietà termiche radicalmente migliorate, " disse Pipa.

Le interfacce possono ridurre la conduttività termica di un materiale composito disperdendo le onde acustiche che sono i principali vettori di calore nei solidi.

"Questo processo di dispersione conferisce a ciascuna interfaccia una resistenza termica, " disse Pipa.

I ricercatori hanno realizzato una serie di risultati durante i primi due anni del loro sforzo di ricerca, compreso lo sviluppo di un sistema di imaging termico ad alta velocità e una tecnica per misurare la propagazione dei fononi, i pacchetti elementari di energia vibrazionale che trasportano calore, con elevato rapporto segnale-rumore. Utilizzando sistemi laser ultraveloci che emettono impulsi laser di durata inferiore a 50 femtosecondi, Il team di Pipe crea onde acustiche ad alta frequenza sulla superficie di un materiale e in un processo simile all'imaging a ultrasuoni medicale misura come queste onde si disperdono dalle strutture di interfaccia sepolte.

"In una delle nostre misurazioni, " disse Pipa, "usiamo impulsi a raggi X di picosecondi per guardare direttamente il movimento atomico vicino a un'interfaccia mentre il calore scorre attraverso di essa".

Applicando precise tecniche di nanofabbricazione per creare interfacce con struttura atomica nota, i ricercatori sono in grado di collegare le proprietà di trasferimento del calore misurate con le previsioni delle simulazioni atomistiche per ottenere un'ulteriore comprensione dei processi fondamentali coinvolti.

"Promuovendo lo stato dell'arte in queste tecniche, miriamo a caratterizzare completamente un'interfaccia e raggiungere una comprensione completa di ciò che controlla il flusso di calore attraverso di essa, " disse Pipa.

"Il Michigan MURI guidato dal professor Kevin Pipe sta facendo scoperte straordinarie per comprendere il trasporto termico su nanoscala adattando con precisione le interfacce utilizzando tecniche di elaborazione avanzate e metodi sperimentali innovativi basati su laser per delineare le modalità fononiche che partecipano al trasporto di calore, " ha detto il dottor Kumar V. Jata, Scienze termali, AFOSR, Arlington, Va. e Scienza dei Materiali, Ufficio asiatico di ricerca e sviluppo aerospaziale, Tokio, Giappone. "In passato non abbiamo mai prestato attenzione alle interfacce e le consideravamo perfette o imperfette, uno o l'altro."