Utilizzando un microscopio elettronico ultraveloce all'avanguardia, I ricercatori dell'Università del Minnesota hanno registrato i primi video in assoluto che mostrano come il calore si muove attraverso i materiali su scala nanometrica viaggiando alla velocità del suono.

La ricerca, pubblicato oggi in Comunicazioni sulla natura , fornisce informazioni senza precedenti sui ruoli svolti dalle singole caratteristiche atomiche e su scala nanometrica che potrebbero aiutare nella progettazione di migliori, materiali più efficienti con una vasta gamma di usi, dall'elettronica personale alle tecnologie energetiche alternative.

L'energia sotto forma di calore ha un impatto su tutte le tecnologie ed è un fattore importante nel modo in cui i dispositivi elettronici e le infrastrutture pubbliche sono progettati e progettati. È anche la più grande forma di spreco di energia in applicazioni critiche, compresa la trasmissione di potenza e soprattutto il trasporto, dove, Per esempio, circa il 70% dell'energia della benzina viene sprecata sotto forma di calore nei motori delle automobili.

Gli scienziati e gli ingegneri dei materiali hanno trascorso decenni alla ricerca di come controllare l'energia termica a livello atomico per riciclarla e utilizzarla per aumentare drasticamente l'efficienza e, infine, ridurre l'uso di combustibili fossili. Tale lavoro sarebbe di grande aiuto osservando effettivamente il calore che si muove attraverso i materiali, ma catturare immagini dei processi fisici di base al centro del movimento dell'energia termica ha presentato enormi sfide. Questo perché le scale di lunghezza fondamentali sono nanometri (un miliardesimo di metro) e le velocità possono essere molte miglia al secondo. Tali condizioni estreme hanno reso l'imaging di questo processo onnipresente straordinariamente impegnativo.

Per superare queste sfide e immaginare il movimento dell'energia termica, i ricercatori hanno utilizzato un microscopio elettronico ultraveloce (UEM) FEI Tecnai Femto all'avanguardia in grado di esaminare la dinamica dei materiali su scala atomica e molecolare in intervalli di tempo misurati in femtosecondi (un milionesimo di miliardesimo di secondo). In questo lavoro, i ricercatori hanno utilizzato un breve impulso laser per eccitare gli elettroni e riscaldare molto rapidamente materiali semiconduttori cristallini di diseleniuro di tungsteno e germanio. Hanno quindi catturato video al rallentatore (rallentati di oltre un miliardo di volte la velocità normale) delle onde di energia risultanti che si muovono attraverso i cristalli.

"Appena abbiamo visto le onde, sapevamo che era un'osservazione estremamente eccitante, " ha affermato il ricercatore capo David Flannigan, un assistente professore di ingegneria chimica e scienza dei materiali presso l'Università del Minnesota. "In realtà osservare questo processo su scala nanometrica è un sogno che diventa realtà".

Flannigan ha detto che il movimento del calore attraverso il materiale sembra come le increspature su uno stagno dopo che un sassolino è caduto nell'acqua. I video mostrano onde di energia che si muovono a circa 6 nanometri (0.000000006 metri) per picosecondo (0.000000000001 secondi). Mappare le oscillazioni di energia, chiamati fononi, su scala nanometrica è fondamentale per sviluppare una comprensione dettagliata dei fondamenti del movimento dell'energia termica.

"In molte applicazioni, scienziati e ingegneri vogliono capire il movimento dell'energia termica, controllalo, collezionalo, e guidarlo con precisione per svolgere un lavoro utile o allontanarlo molto rapidamente da componenti sensibili, " disse Flannigan. "Poiché le lunghezze e i tempi sono così piccoli e così veloci, è stato molto difficile capire nel dettaglio come ciò avvenga in materiali che presentano imperfezioni, come sostanzialmente fanno tutti i materiali. Osservare letteralmente questo processo farebbe molto per costruire la nostra comprensione, e ora possiamo fare proprio questo".