La ricerca scientifica ci ha fornito una comprensione fondamentale di come la luce (tramite i fotoni) e l'elettricità (tramite gli elettroni) si muovono all'interno e tra i materiali a livello di micrometri o nanometri, rendendo possibile un'ampia varietà di dispositivi in ​​miniatura come transistor, sensori ottici e sistemi microelettromeccanici (MEMS). Però, la conoscenza umana del flusso di calore su micro e nanoscala è al massimo rudimentale.

Ora, un team di ricerca dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign (UIUC) ha sviluppato un nuovo sistema per esaminare e misurare la conduttanza termica su scala nanometrica all'interfaccia tra due materiali. Con ulteriore affinamento, gli scienziati ritengono che il loro progresso possa un giorno fornire dati per applicazioni come la raccolta di elettricità dal calore di scarto, migliore raffreddamento dei dispositivi microelettronici e targeting per "ricerca di calore" delle cellule malate mediante terapie ipertermiche (al di sopra della normale temperatura corporea).

I risultati del team saranno presentati da Mark Losego, ex borsista post-dottorato presso l'UIUC e ora professore assistente di ricerca in ingegneria chimica e biomolecolare presso la North Carolina State University, durante il 59° Simposio ed Esposizione Internazionale AVS, tenutosi dal 28 ottobre al novembre 2, 2012, a Tampa, Fla.

Alla nanoscala, le proprietà termiche sono il risultato di vibrazioni tra atomi vicini. I legami tra gli atomi trasportano queste vibrazioni in modo simile a una molla oscillante. Il team UIUC ha sviluppato una tecnica per studiare gli effetti di questi legami sul trasporto di calore attraverso un'interfaccia tra due materiali diversi. "Volevamo un sistema in cui potessimo osservare, analizzare e quantificare il flusso termico attraverso un'interfaccia con precisione a livello atomico, " dice Losego.

Il sistema inizia con un substrato a base di cristallo di quarzo, su cui i ricercatori posizionano catene molecolari lunghe 12 atomi di carbonio. Alla base di ogni catena c'è un "cappuccio" chimico che si lega covalentemente al quarzo. L'attrazione di questi cappucci sul substrato allinea spontaneamente tutte le catene di carbonio in una serie ordinata di molecole note come monostrato autoassemblato (SAM). All'estremità opposta di ogni catena di carbonio c'è un diverso tipo di cappuccio, un gruppo tiolo (zolfo e idrogeno) che si lega fortemente ai metalli o un gruppo metilico (carbonio e idrogeno) che si lega debolmente.

"Utilizziamo quindi un timbro in silicone viscoelastico per "trasferire la stampa" degli strati d'oro sulla superficie SAM, " Losego spiega. "Questo processo è simile al trasferimento di una decalcomania su una maglietta in cui la pellicola dorata è la "decalcomania" attaccata al "supporto" del timbro in silicone. Quando togliamo lentamente il silicone, lasciamo lo strato d'oro sopra il SAM."

È all'interfaccia tra il film d'oro e il SAM, Losego dice, dove è caratterizzato il flusso di calore su scala nanometrica. "Cambiare i gruppi chimici che sono in contatto con lo strato d'oro ci permette di vedere come i diversi legami influenzano il trasferimento di calore, " Aggiunge.

In combinazione con una tecnica laser ultraveloce in grado di monitorare il decadimento della temperatura (o la perdita di calore) con risoluzione al picosecondo (trilionesimo di secondo), i ricercatori dell'UIUC sono in grado di utilizzare il loro sistema sperimentale per valutare il flusso di calore su scala atomica. "Scaldiamo lo strato d'oro attaccato al monostrato e possiamo monitorare il decadimento della temperatura nel tempo, " Losego spiega. "Contemporaneamente, osserviamo oscillazioni nel film d'oro che indicano la forza dei legami alla giunzione oro-SAM. Usando queste misurazioni siamo in grado di verificare in modo indipendente che i legami forti [oscillazioni a decadimento rapido] hanno un trasferimento di calore rapido mentre i legami deboli [oscillazioni a decadimento lento] hanno un trasferimento di calore più lento".

I ricercatori intendono perfezionare il loro sistema di misurazione termica su nanoscala e sviluppare calcoli teorici per interpretare meglio i dati che produce.