Fig. 1:Struttura del flusso di calore bidimensionale su un'interfaccia solido-liquido in cui il gradiente di temperatura è nella direzione z, in condizioni di bagnabilità (a,b) scarse o (c,d) buone. Le condizioni di simulazione sono diverse dai risultati nel documento. Crediti:Kunio Fujiwara e Masahiko Shibahara
Gli scienziati dell'Università di Osaka hanno simulato il trasporto di calore su scala ridotta utilizzando una simulazione al computer di dinamica molecolare. Studiando i moti delle singole particelle che costituiscono il confine tra un solido e un liquido, sono stati in grado di calcolare il flusso di calore con una precisione senza precedenti. Questo lavoro può portare a miglioramenti significativi nella nostra capacità di fabbricare dispositivi su scala nanometrica, nonché superfici funzionali e dispositivi nanofluidici.
Il processo mediante il quale il calore viene trasferito nel punto in cui un solido incontra un liquido può sembrare un semplice problema di fisica. Tradizionalmente, le quantità macroscopiche, come densità, pressione, temperatura e capacità termica, venivano utilizzate per calcolare la velocità con cui l'energia termica si muove tra i materiali. Tuttavia, tenere adeguatamente conto del movimento delle singole molecole, pur osservando le leggi di conservazione dell'energia e della quantità di moto, aggiunge una grande complessità. Migliori simulazioni al computer su scala atomica sarebbero preziose per comprendere in modo più accurato un'ampia gamma di applicazioni del mondo reale, specialmente nel campo della nanotecnologia.
Ora, un team di ricercatori dell'Università di Osaka ha sviluppato una nuova tecnica numerica per visualizzare per la prima volta un flusso di calore modellato su scala atomica. "Per comprendere fondamentalmente il trasporto termico attraverso un'interfaccia solido-liquido, è necessario considerare le proprietà di trasporto di atomi e molecole", spiega il primo autore dello studio Kunio Fujiwara. "Abbiamo modellato il flusso di calore vicino a una regione di interfaccia solido-liquido con risoluzione spaziale subatomica utilizzando simulazioni di dinamica molecolare classica. Questo ci ha permesso di creare immagini della struttura tridimensionale del flusso di energia mentre il calore veniva trasferito tra gli strati ."
Fig. 2:Struttura del flusso di calore tridimensionale su un'interfaccia solido-liquido in posizioni z specificate in condizioni di bagnabilità (a, b) scarse o (c, d) buone. Le condizioni di simulazione sono diverse dai risultati nel documento. Crediti:Kunio Fujiwara e Masahiko Shibahara
Utilizzando il popolare potenziale di Lennard-Jones per calcolare le interazioni tra atomi adiacenti, il team ha scoperto che la direzione del flusso di calore dipende fortemente dalle sollecitazioni subatomiche nelle strutture dei solidi o dei liquidi.
"Prima, non c'era un buon modo per visualizzare il flusso di calore su scala atomica", afferma l'autore senior Masahiko Shibahara. "Questi risultati dovrebbero permetterci di chiarire e modificare il trasporto termico in base alla configurazione del flusso di calore 3D."
Ciò può consentire una produzione su scala nanometrica personalizzata da eseguire in modo più efficiente. + Esplora ulteriormente
