Attraverso una combinazione di progettazione di materiali su scala atomica e misurazioni ultraveloci, i ricercatori dell'Università dell'Illinois hanno rivelato nuove intuizioni su come il calore scorre attraverso un'interfaccia tra due materiali.

I ricercatori hanno dimostrato che un singolo strato di atomi può interrompere o migliorare il flusso di calore attraverso un'interfaccia. I loro risultati sono pubblicati questa settimana su Nature Materials.

Un migliore controllo dello scambio termico è un elemento chiave per migliorare le prestazioni delle tecnologie attuali come i circuiti integrati e i motori a combustione, nonché le tecnologie emergenti come i dispositivi termoelettrici, che raccolgono energia rinnovabile dal calore di scarto. Però, il raggiungimento del controllo è ostacolato da una comprensione incompleta di come il calore viene condotto attraverso e tra i materiali.

"Il calore viaggia attraverso il materiale elettricamente isolante tramite 'fononi, ' che sono vibrazioni collettive di atomi che viaggiano come onde attraverso un materiale, "ha detto David Cahill, un professore di Willett e il capo della scienza e dell'ingegneria dei materiali presso l'Illinois e coautore dell'articolo. "Rispetto alla nostra conoscenza di come l'elettricità e la luce viaggiano attraverso i materiali, la conoscenza degli scienziati del flusso di calore è piuttosto rudimentale."

Uno dei motivi per cui tale conoscenza rimane sfuggente è la difficoltà di misurare con precisione le temperature, soprattutto su scale di piccola lunghezza e per brevi periodi di tempo, i parametri sotto cui operano molti dispositivi micro e nano.

Nell'ultimo decennio, Il gruppo di Cahill ha perfezionato una tecnica di misurazione utilizzando impulsi laser molto brevi, che dura solo un trilionesimo di secondo, per sondare accuratamente il flusso di calore con una risoluzione di profondità nanometrica. Cahill ha collaborato con Paul Braun, il Racheff Professor of Materials Science and Engineering presso l'U. of I. e leader nella sintesi di materiali su scala nanometrica, applicare la tecnica per comprendere come le caratteristiche su scala atomica influenzino il trasporto di calore.

"Questi esperimenti hanno utilizzato un 'sandwich molecolare' che ci ha permesso di manipolare e studiare l'effetto che la chimica all'interfaccia ha sul flusso di calore, su scala atomica, " ha detto Braun.

I ricercatori hanno assemblato il loro sandwich molecolare depositando prima un singolo strato di molecole su una superficie di quarzo. Prossimo, attraverso una tecnica nota come stampa transfer, hanno messo un film d'oro molto sottile sopra queste molecole. Quindi hanno applicato un impulso di calore allo strato d'oro e hanno misurato come ha viaggiato attraverso il sandwich fino al quarzo sul fondo.

Regolando proprio la composizione delle molecole a contatto con lo strato d'oro, il gruppo ha osservato un cambiamento nel trasferimento di calore a seconda della forza con cui la molecola si legava all'oro. Hanno dimostrato che un legame più forte produce un doppio aumento del flusso di calore.

"Questa variazione nel flusso di calore potrebbe essere molto maggiore in altri sistemi, " ha detto Marco Losego, che ha guidato questo sforzo di ricerca come borsista post-dottorato presso l'Illinois ed è ora professore di ricerca presso la North Carolina State University. "Se i modi vibrazionali per i due solidi fossero più simili, potremmo aspettarci cambiamenti fino a un fattore 10 o più."

I ricercatori hanno anche usato la loro capacità di regolare sistematicamente la chimica dell'interfaccia per comporre un valore di flusso di calore tra i due estremi, verificando la capacità di utilizzare queste conoscenze per progettare sistemi di materiali con proprietà di trasporto termico desiderate.

"Abbiamo sostanzialmente dimostrato che il cambiamento anche di un singolo strato di atomi all'interfaccia tra due materiali ha un impatto significativo sul flusso di calore attraverso quell'interfaccia, " ha detto Losego.

Scientificamente, questo lavoro apre nuove strade di ricerca. Il gruppo dell'Illinois sta già lavorando per una comprensione fondamentale più profonda del trasferimento di calore perfezionando i metodi di misurazione per quantificare la rigidità del legame interfacciale, oltre a studiare la dipendenza dalla temperatura, che rivelerà un quadro fondamentale migliore di come i cambiamenti nella chimica dell'interfaccia stanno interrompendo o migliorando il flusso di calore attraverso l'interfaccia.

"Per molti anni, i modelli fisici per il flusso di calore tra due materiali hanno ignorato le caratteristiche a livello atomico di un'interfaccia, " Cahill ha detto. "Ora queste teorie devono essere affinate. I metodi sperimentali sviluppati qui aiuteranno a quantificare la misura in cui le caratteristiche strutturali dell'interfaccia contribuiscono al flusso di calore e saranno utilizzati per convalidare queste nuove teorie".

Braun e Cahill sono affiliati al laboratorio di ricerca sui materiali Frederick Seitz presso l'Università di I. Braun è anche affiliato al dipartimento di chimica e al Beckman Institute for Advanced Science and Technology. L'Ufficio per la ricerca scientifica dell'aeronautica ha sostenuto questo lavoro.