Un crescente interesse per i materiali termoelettrici, che convertono il calore di scarto in elettricità, e la pressione per migliorare il trasferimento di calore da dispositivi microelettronici sempre più potenti hanno portato a una migliore comprensione teorica e sperimentale di come il calore viene trasportato attraverso materiali su scala nanometrica.

La ricerca recente si è concentrata sulla possibilità di utilizzare gli effetti di interferenza nelle onde fononiche per controllare il trasporto di calore nei materiali. L'interferenza delle onde è già utilizzata per controllare l'elettronica, dispositivi fotonici e acustici. Se un approccio simile può essere utilizzato nel trasporto termico, che potrebbe facilitare lo sviluppo di dispositivi termoelettrici e nanoelettronici più efficienti, migliori rivestimenti a barriera termica, e nuovi materiali con conducibilità termica ultrabassa.

Un articolo sui progressi pubblicato il 23 giugno sulla rivista Materiali della natura descrive i recenti sviluppi e prevede i futuri progressi nell'interferenza delle onde fononiche e nei materiali a banda proibita termica.

"Se riesci a far sì che il calore si comporti come un'onda e abbia interferenze mentre controlli quanto lontano si muove, potresti sostanzialmente controllare tutte le proprietà alla base del trasporto di calore, " disse Martin Maldovan, un assistente professore presso la School of Chemical and Biomolecular Engineering e School of Physics presso il Georgia Institute of Technology, e l'autore del documento. "Questo sarebbe un modo completamente nuovo di comprendere e manipolare il calore".

Nella definizione classica, il calore è costituito da vibrazioni nei reticoli atomici dei materiali. Più vibrazioni nella struttura di un materiale, più caldo è il materiale. E allo stesso modo in cui la luce bianca è effettivamente composta da molti diversi colori di luce, questi fononi termici sono costituiti da molte frequenze diverse, ognuna delle quali trasporta quantità variabili di calore.

Recenti sviluppi hanno dimostrato che i fononi termici possono interferire con i propri riflessi. L'osservazione suggerisce che i fononi termici debbano esistere come onde simili a quelle elettroniche, onde fotoniche o acustiche. Questa interferenza potrebbe essere potenzialmente utilizzata per modificare la velocità dei fononi e la densità degli stati, creando bande di energia proibite per le onde fononiche. L'utilizzo di bande proibite simili nei materiali ottici ed elettronici è stato fondamentale per lo sviluppo di un'ampia gamma di dispositivi utili.

Fino ad ora, il trasporto di calore nei materiali nanostrutturati è stato ampiamente controllato mediante l'introduzione di impurità su scala atomica, interfacce, superfici e nanoparticelle che riducono il flusso di calore disperdendo diffusamente i fononi. Il controllo degli effetti delle onde potrebbe facilitare nuovi approcci che coinvolgono la riflessione speculare e la trasmissione delle vibrazioni termiche alle interfacce.

"Considerato il notevole successo ottenuto nell'utilizzo dell'elettronica, interferenza di onde fotoniche e fononiche per manipolare gli elettroni, onde luminose e sonore, è certamente utile estendere queste teorie alle vibrazioni termiche, creando così un approccio fondamentalmente nuovo per la manipolazione del flusso di calore, "Maldovan ha scritto sul giornale.

I materiali termoelettrici catturano il calore di scarto da fonti come scarichi di automobili o processi industriali per produrre elettricità. Il miglioramento di questi materiali richiederà un'ulteriore riduzione della conduttività termica per migliorarne l'efficienza.

D'altra parte, i progettisti di microelettronica vogliono aumentare la conduttività termica per trasferire il calore lontano da dispositivi potenti e minuscoli. Anche gli sviluppatori di celle a combustibile e altri dispositivi di conversione devono migliorare il controllo del calore.

Maldovan ha scritto l'articolo per chiarire le questioni relative al trasporto termico, e per interessare gli altri nel campo. In definitiva, i ricercatori utilizzeranno queste nuove informazioni sul trasporto di calore per progettare materiali migliori.

"Questi nuovi fenomeni ondulatori possono essere utilizzati per creare materiali a bassa conducibilità termica, " ha detto Maldovan. "Stiamo cercando di creare un gap termico, ma non è così facile da fare."

La ricerca di materiali per onde foniche termiche si concentrerà su semiconduttori molto simili a quelli utilizzati nella microelettronica, ha detto Maldoviano. Ma mentre il silicio utilizzato nella microelettronica aveva una banda proibita naturale, gli scienziati hanno dovuto creare un gap di banda nella fotonica e nei materiali acustici, e lo stesso sarà vero per i materiali termici. I materiali probabili includono silicio-germanio, arseniuro di gallio e alluminio e alcuni superreticoli di ossido.

I ricercatori si sono concentrati per molti anni su quanto il calore può essere trasportato nei materiali. Per il futuro, la ricerca riguarderà la velocità di quel trasporto, e quanto calore viene spostato nel processo, Maldovan aveva predetto. Paragona il trasporto di calore a un problema più familiare:il trasporto umano.

"Se vuoi spostare molte persone, hai bisogno di un autobus che trasporterà molte persone, " ha detto. "Vuoi anche un veicolo che possa muoversi velocemente perché se ti muovi più velocemente, puoi portare più persone più lontano in meno tempo."

I prossimi anni dovrebbero portare a importanti chiarimenti sul ruolo delle interferenze e dei bandgap nei materiali termici, Maldovan aveva predetto. Ciò consentirà continui progressi nei materiali necessari per il controllo termico.

"Ora è una cosa molto bella capire il calore, " Egli ha detto.