Un team di ricerca guidato da Joe Feser del Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell'Università del Delaware ha sviluppato un nuovo approccio alla simulazione del trasferimento di calore su scala nanometrica nei materiali.
Materiali termoelettrici, che può convertire direttamente e reversibilmente il calore in energia elettrica, sono utilizzati in una varietà di applicazioni, compreso il raffreddamento dei dispositivi elettronici e la conversione dell'energia termica di scarto.
Una sfida persistente associata ai materiali termoelettrici è l'efficienza:se potessero essere progettati per convertire in modo più efficiente il calore in elettricità, la porta sarebbe stata aperta a un'ampia gamma di applicazioni pratiche.
Per renderli più efficienti, i materiali devono agire come un isolante termico mentre elettronicamente si comportano come un conduttore, una caratteristica che non si trova spesso nei materiali naturali.
Un gruppo di ricerca guidato da Joe Feser, professore assistente presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell'Università del Delaware, sta studiando i limiti del trasporto di calore utilizzando una suite di nuovi strumenti per la misurazione e la simulazione termica su scala nanometrica, con un occhio alla creazione di materiali più efficienti dal punto di vista termoelettrico.
Una strategia comune impiegata dal suo gruppo è l'uso di nanoparticelle per disperdere vibrazioni che trasportano calore, conosciuti come fononi. Il team sta sviluppando strumenti per studiare lo scattering fononico in modo che le dimensioni, forma, e la composizione delle nanoparticelle può essere ottimizzata per applicazioni termoelettriche.
Fononi sparsi da una simulazione atomistica di nanoparticelle di germanio incorporate in un semiconduttore di silicio. Il germanio pesante disperde fortemente le onde in arrivo dal silicio, ma è così pesante che i suoi atomi si muovono appena. Il software è in grado di simulare una regione di silicio infinitamente grande assorbendo l'energia delle onde in uscita in una scatola sottile sul bordo esterno della simulazione chiamata "strato perfettamente abbinato" (evidenziato con linee tratteggiate) che funge da spugna. assorbendo energia senza rifletterla verso la nanoparticella.
Feser e il dottorando Rohit Kakodkar hanno recentemente riportato un nuovo approccio a questo problema in un articolo, "Un quadro per la risoluzione dei problemi di diffusione atomistica della struttura fononica nel dominio della frequenza utilizzando limiti di livello perfettamente abbinati, " nel Rivista di fisica applicata .
Il nuovo framework riduce significativamente la quantità di potenza computazionale necessaria per simulare lo scattering fononico e aumenta notevolmente la dimensione massima dei sistemi che possono essere studiati utilizzando i computer.
Feser spiega che i modelli di meccanica del continuo, che, per motivi di efficienza, ignorare il fatto che la materia è composta da atomi, sono tradizionalmente usati per spiegare fenomeni come la diffusione dei fononi. Però, mentre questo approccio è abbastanza accurato su scale di lunghezza maggiori della distanza tra gli atomi, potrebbe non essere efficace nel caratterizzare il comportamento delle onde di lunghezza nanometrica, che sono spesso le lunghezze d'onda coinvolte nel trasporto di calore.
La soluzione ovvia è avere simulazioni che includano un'equazione per ogni singolo atomo e tengano traccia del comportamento per un lungo periodo di tempo, ma è qui che si verifica il logjam computazionale. Le tecniche tradizionali come la dinamica molecolare sono troppo lente per simulare separatamente la dispersione per ogni vibrazione che trasporta calore, e altre tecniche esistenti sono limitate nella loro capacità di simulare sistemi di grandi dimensioni.
Il modello atomistico sviluppato da Feser e Kakodkar può risolvere un gran numero di atomi alla volta. "Fondamentalmente quello che abbiamo fatto è rimuovere la fisica non necessaria e incorporare i fatti che già conosciamo sulle soluzioni nella procedura di soluzione, " Dice Feser.
Un altro uso importante del nuovo strumento è che ha consentito ai ricercatori di risolvere controversie di vecchia data su come descrivere la fisica dei fononi che incontrano le interfacce, ovvero se viaggiano in modo coerente o si disperdono in modo diffuso, e soprattutto come il disordine cambia questo. Il framework ha anche il vantaggio di poter essere scalato per l'uso con supercomputer, che stanno vedendo un maggiore utilizzo per simulazioni complesse.
In definitiva, l'obiettivo è avere un controllo preciso sulla progettazione di nuovi materiali a livello dei loro più piccoli componenti.
"La progettazione di nuovi materiali che spingono i limiti delle proprietà di trasporto ottenibili, vale a dire, conduttività termica, conduttanza di interfaccia, capacità termica, e fattore di potenza termoelettrica - consentirà lo sviluppo di nuove tecnologie di dispositivi basate su questi materiali, " Dice Feser.
