(Phys.org) —I ricercatori stanno proponendo una nuova tecnologia che potrebbe controllare il flusso di calore nello stesso modo in cui i dispositivi elettronici controllano la corrente elettrica, un progresso che potrebbe avere applicazioni in una vasta gamma di campi, dall'elettronica al tessile.

Il concetto utilizza minuscole strutture triangolari per controllare "fononi, " Fenomeni quantomeccanici che descrivono come le vibrazioni viaggiano attraverso la struttura cristallina di un materiale.

I risultati della ricerca che utilizzano simulazioni avanzate mostrano che le strutture triangolari o a forma di T - se sufficientemente piccole in larghezza - sono in grado di "rettifica termica, " o permettendo un flusso di calore maggiore in una direzione che nella direzione opposta, disse Xiulin Ruan, professore associato presso la School of Mechanical Engineering e il Birck Nanotechnology Center della Purdue University.

La rettifica ha reso possibili i transistor, diodi e circuiti di memoria fondamentali per l'industria dei semiconduttori. I nuovi dispositivi sono raddrizzatori termici che potrebbero svolgere la stessa funzione, ma con fononi invece di corrente elettrica.

"Nella maggior parte dei sistemi, il flusso di calore è uguale in entrambe le direzioni, quindi non ci sono dispositivi termici come i diodi elettrici. Però, se siamo in grado di controllare il flusso di calore come controlliamo l'elettricità usando i diodi, allora possiamo abilitare molti nuovi ed entusiasmanti dispositivi termici inclusi gli interruttori termici, transistor termici, porte logiche e memoria, " disse Ruan, il cui gruppo di ricerca ha collaborato con un gruppo guidato da Yong Chen, professore associato presso il Dipartimento di Fisica e la Scuola di Ingegneria Elettrica e Informatica di Purdue. "Le persone stanno appena iniziando a capire come funziona, ed è abbastanza lontano dall'essere utilizzato nelle applicazioni."

I risultati sono dettagliati in un documento di ricerca apparso online sulla rivista Nano lettere e sarà pubblicato in un prossimo numero della rivista. Il documento è stato scritto dagli studenti di dottorato Yan Wang, Ajit Vallabhaneni e Jiuning Hu e l'ex studente di dottorato Bo Qiu; Chen; e Ruan.

I ricercatori hanno utilizzato un metodo di simulazione avanzato chiamato dinamica molecolare per dimostrare la rettifica termica in strutture chiamate "nanonastri di grafene asimmetrici". Le simulazioni di dinamica molecolare possono simulare le vibrazioni degli atomi e prevedere il flusso di calore in un materiale.

Grafene, uno strato estremamente sottile di carbonio, è promettente per applicazioni in elettronica e computer. La struttura triangolare deve essere di larghezza ridotta per rendere possibile il "confinamento laterale" dei fononi necessari per l'effetto. I risultati mostrano anche che la rettifica termica non è limitata al grafene, ma potrebbe essere vista in altri materiali in strutture come piramidali, disegni trapezoidali o a forma di T.

Hu, Ruan, e Chen hanno anche pubblicato un articolo quattro anni fa sulla rivista Nano lettere , tra i primi a proporre nanonastri asimmetrici di grafene come raddrizzatore termico nella ricerca utilizzando le simulazioni di dinamica molecolare. Sebbene da allora numerosi studi siano stati dedicati a questo argomento, fino ad ora i ricercatori non conoscevano il meccanismo alla base della rettifica termica. Le nuove scoperte mostrano che questo meccanismo funziona limitando le vibrazioni mentre viaggiano attraverso la piccola direzione laterale di una struttura asimmetrica.

"Dimostriamo che altri materiali asimmetrici, come i nanofili asimmetrici, pellicole sottili, e punti quantici di un singolo materiale possono anche essere raddrizzatori termici ad alte prestazioni, fintanto che hai un confinamento laterale, " Ruan ha detto. "Questo amplia davvero il potenziale di questa rettifica a uno spettro molto più ampio di applicazioni".

La rettifica termica non è presente nelle strutture di forma triangolare più grandi perché mancano di confinamento laterale. Per ottenere il confinamento laterale, la sezione trasversale della struttura deve essere molto più piccola del "percorso libero medio" di un fonone, o solo da pochi a centinaia di nanometri a seconda del materiale, ha detto Wang.

"Questa è la distanza media che un fonone può percorrere prima di scontrarsi con un altro fonone, " Egli ha detto.

Però, anche se i dispositivi devono essere minuscoli, potrebbero essere collegati in serie per produrre strutture più grandi e migliori prestazioni di rettifica.

Il concetto potrebbe trovare impieghi in applicazioni di "gestione termica" per computer ed elettronica, edifici e persino vestiti.

"Per esempio, in una notte d'inverno non vuoi che un edificio perda rapidamente il calore verso l'esterno, mentre di giorno vuoi che l'edificio sia riscaldato dal sole, quindi sarebbe bene avere materiali da costruzione che permettano il flusso di calore in una direzione, ma non l'altro, " ha detto Ruan.

Un potenziale, anche se speculativo, futura applicazione potrebbe essere transistor termici. A differenza dei transistor convenzionali, i transistor termici non richiederebbero l'uso di silicio, sono basati su fononi piuttosto che su elettroni e potrebbero sfruttare la grande quantità di calore di scarto che è già generata nella maggior parte dell'elettronica pratica, disse Chen.