I ricercatori del MIT scoprono che il calore che si muove in materiali chiamati superreticoli si comporta come le onde; la scoperta potrebbe consentire una migliore termoelettrica.

dispositivi termoelettrici, che può sfruttare le differenze di temperatura per produrre elettricità, potrebbe essere reso più efficiente grazie a nuove ricerche sulla propagazione del calore attraverso strutture chiamate superreticoli. Le nuove scoperte mostrano, inaspettatamente, che il calore può viaggiare come onde, piuttosto che particelle, attraverso queste nanostrutture:materiali costituiti da strati di pochi miliardesimi di metro di spessore.

Il calore, la vibrazione degli atomi e delle molecole in un materiale, di solito viaggia in un "cammino casuale, " che è difficile da controllare. Le nuove osservazioni mostrano uno schema molto diverso, chiamato flusso coerente, che è più simile a increspature che si muovono in modo ordinato attraverso uno stagno.

Ciò apre la possibilità di nuovi materiali in cui il flusso di calore potrebbe essere adattato con precisione, materiali che potrebbero avere importanti applicazioni. Per esempio, tale ricerca potrebbe portare a nuovi modi di dissipare il calore generato da dispositivi elettronici e laser a semiconduttore, che ostacola le prestazioni e può persino distruggere i dispositivi.

Il nuovo lavoro, dalla laureanda Maria Luckyanova, postdoc Jivtesh Garg e il professore Gang Chen, tutto il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT, insieme ad altri studenti e professori del MIT, Università di Boston, il California Institute of Technology e il Boston College—è riportato questa settimana sulla rivista Scienza .

Lo studio riguarda un materiale nanostrutturato chiamato superreticolo:in questo caso, una pila di strati sottili alternati di arseniuro di gallio e arseniuro di alluminio, ciascuno depositato a sua volta attraverso un processo chiamato deposizione di vapore chimico metallo-organico. I prodotti chimici contenenti questi elementi vengono vaporizzati nel vuoto, e poi depositato su una superficie, i loro spessori sono controllati con precisione durante la durata del processo di deposizione. Gli strati risultanti avevano uno spessore di soli 12 nanometri, circa lo spessore di una molecola di DNA, e le intere strutture avevano uno spessore compreso tra 24 e 216 nanometri.

I ricercatori avevano precedentemente creduto che anche se tali strati potevano essere atomicamente perfetti, ci sarebbe ancora abbastanza rugosità alle interfacce tra gli strati per disperdere quasi-particelle che trasportano calore, chiamati fononi, mentre si muovevano attraverso il superreticolo. In un materiale con molti strati, tali effetti di dispersione si accumulerebbero, si pensava, e "distruggere l'effetto onda" dei fononi, dice Chen, il professore di ingegneria energetica Carl Richard Soderberg. Ma questa ipotesi non era mai stata dimostrata, così lui e i suoi colleghi hanno deciso di riesaminare il processo, lui dice.

Infatti, gli esperimenti di Luckyanova e le simulazioni al computer di Garg hanno mostrato che mentre tale diffusione randomizzata di fase avviene tra i fononi ad alta frequenza, gli effetti d'onda sono stati preservati tra i fononi a bassa frequenza. Chen dice di essere rimasto molto sorpreso quando Luckyanova è tornato con i primi dati sperimentali per mostrare "che la conduzione coerente del calore sta realmente accadendo".

Comprendere i fattori che controllano questa coerenza potrebbe, a sua volta, portare a modi migliori per rompere tale coerenza e ridurre la conduzione del calore, Chen dice. Ciò sarebbe auspicabile nei dispositivi termoelettrici per sfruttare l'energia termica inutilizzata in qualsiasi cosa, dalle centrali elettriche all'elettronica. Tali applicazioni richiedono materiali che conducono molto bene l'elettricità ma conducono molto male il calore.

Il lavoro potrebbe anche migliorare lo spargimento di calore, come per il raffreddamento dei chip dei computer. La capacità di focalizzare e dirigere il flusso di calore potrebbe portare a una migliore gestione termica per tali dispositivi. Chen dice che i ricercatori non sanno ancora come esercitare un controllo così preciso, ma la nuova comprensione potrebbe aiutare. Comprendere questo meccanismo basato sulle onde "ti offre più modi per manipolare il trasporto" del calore, lui dice.

I due materiali utilizzati in questo esperimento hanno proprietà molto simili, Luckyanova dice, e conducono l'elettricità molto bene. Ma controllando lo spessore e la spaziatura degli strati, lei dice, "crediamo di poter manipolare il trasporto termico, " producendo il tipo di effetto isolante necessario per i dispositivi termoelettrici.

Il ruolo delle interfacce tra gli strati di un materiale "è qualcosa che non è stato veramente compreso, " Dice Garg. Le simulazioni precedenti non erano riuscite a includere gli effetti della variazione nella struttura della superficie sul processo, lui dice, ma "ho capito che c'era un modo per simulare il ruolo della ruvidità" nel modo in cui i fononi si muovevano attraverso la pila di strati.

Il nuovo lavoro offre non solo la possibilità di controllare il flusso di calore (trasportato principalmente da fononi con lunghezze d'onda corte) ma anche di controllare il movimento delle onde sonore (trasportate principalmente da fononi di lunghezza d'onda più lunga). "È davvero una sorta di comprensione fondamentale, " dice Chen.

Le intuizioni che hanno reso possibile il lavoro sono nate in gran parte attraverso le interazioni tra ricercatori di diverse discipline, facilitato attraverso il Centro di Conversione dell'Energia Solare Termica a Stato Solido, un Energy Frontier Center finanziato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, che tiene regolari incontri interdisciplinari al MIT. "Questi incontri hanno fornito a lungo, discussioni fruttuose che hanno davvero rafforzato il documento, " dice Luckyanova. La varietà di persone nel gruppo "ci ha davvero incoraggiato ad attaccare questo problema da tutte le parti".