Un modello matematico del flusso di calore attraverso fili in miniatura potrebbe aiutare a sviluppare dispositivi termoelettrici che convertono in modo efficiente il calore, anche il proprio calore di scarto, in elettricità.

Sviluppato presso A*STAR, il modello descrive il movimento di vibrazioni chiamate fononi, responsabili del trasporto di calore nei materiali isolanti. I fononi si muovono tipicamente in linea retta nei nanofili, fili larghi appena pochi atomi. Calcoli precedenti suggerivano che se parti di un nanofilo contenevano disposizioni casuali di due diversi tipi di atomi, i fononi sarebbero fermati nelle loro tracce. In nanofili di lega reali, anche se, gli atomi dello stesso elemento potrebbero raggrupparsi insieme per formare brevi sezioni composte dagli stessi elementi.

Ora, Zhun-Yong Ong e Gang Zhang dell'A*STAR Institute of High Performance Computing di Singapore hanno calcolato gli effetti di tale ordine a corto raggio sul comportamento dei fononi. I loro risultati suggeriscono che la conduzione del calore in un nanofilo non dipende solo dalle concentrazioni relative degli atomi della lega e dalla differenza nelle loro masse; dipende anche da come sono distribuiti gli atomi.

Il loro modello simulava un nanofilo lungo 88 micrometri contenente 160, 000 atomi di due elementi diversi. Hanno scoperto che quando il nanofilo era più ordinato, contenente gruppi degli stessi elementi, i fononi a bassa frequenza facevano fatica a muoversi. In contrasto, fononi ad alta frequenza potrebbero viaggiare molto oltre la lunghezza media delle regioni ordinate nella lega. "I fononi ad alta frequenza erano più mobili di quanto immaginassimo, "dice Ong.

I ricercatori hanno usato il loro modello per studiare la resistenza termica di un nanofilo contenente una miscela uguale di atomi di silicio e germanio. L'ordinamento a corto raggio degli atomi ha permesso ai fononi ad alta frequenza di viaggiare liberamente attraverso il filo, conferendogli una resistenza termica relativamente bassa. In contrasto, una distribuzione casuale di atomi di lega ha comportato una resistenza più elevata, oltre il triplo di quella del caso ordinato per un filo lungo 2,5 micrometri. "Se questo disturbo può essere realizzato in materiali compositi reali, allora potremmo adattare la conduttività termica del sistema, "dice Ong.

La comprensione del contributo relativo dei fononi a bassa e alta frequenza alla conduzione del calore potrebbe anche aiutare i ricercatori a mettere a punto le proprietà termiche dei nanofili in laboratorio. "Ad esempio, è noto che l'irruvidimento superficiale dei nanofili riduce il contributo di conduttività termica dei fononi ad alta frequenza, "dice Ong.

I ricercatori sperano che il loro modello aiuti gli scienziati a progettare materiali compositi con bassa conduttività termica. Un'applicazione interessante sono i dispositivi termoelettrici, spiega Ong. "Poiché questi dispositivi si basano su un differenziale termico, una bassa conduttività termica è desiderabile per prestazioni ottimali."