I ricercatori della Tokyo Metropolitan University hanno trovato nuovi modi per controllare il modo in cui il calore scorre attraverso materiali sottili impilando strati atomici sottili in eterostrutture di van der Waals. Confrontando diverse pile di materiali diversi, o anche lo stesso materiale dopo il trattamento termico, hanno scoperto che l'accoppiamento debole e la mancata corrispondenza tra gli strati hanno contribuito a ridurre significativamente il trasporto di calore. La loro scoperta promette un controllo sensibile del flusso di calore su scala nanometrica nei dispositivi termoelettrici.

Il calore è ovunque e scorre. Anche il calore nei posti sbagliati può essere dannoso. Gli esempi includono il surriscaldamento dell'elettronica, poiché i microchip producono più calore di quanto possano allontanarsi mentre svolgono attività computazionali intensive. Ciò può danneggiare o ridurre gravemente la durata dei dispositivi elettronici, rendendo il controllo del flusso di calore su scala nanometrica una preoccupazione urgente per la società moderna.

Un team guidato dal professor Kazuhiro Yanagi della Tokyo Metropolitan University ha lavorato su modi per produrre e gestire strati ultrasottili di una classe di materiali noti come dicalcogenuri di metalli di transizione. Qui, hanno preso strati di disolfuro di molibdeno e diseleniuro di molibdeno dello spessore di un singolo atomo e li hanno impilati insieme in strati di quattro (film da 4 litri). Gli strati possono essere accoppiati insieme in diversi modi. Il modo unico e delicato del team di trasferire grandi fogli sottili come un atomo ha permesso loro di creare pile di strati legati insieme dalle forze di van der Waals. Potrebbero anche essere fortemente vincolati da tecniche più convenzionali, in particolare la deposizione chimica da vapore (CVD). Ciò dà origine a una serie di permutazioni su come gli strati isolati potrebbero essere messi insieme e potenzialmente controllare il modo in cui il calore li attraversa.

Utilizzando una speciale tecnica di rivestimento, sono stati in grado di rilevare come minuscole quantità di calore fluissero attraverso queste pile con una precisione piuttosto buona. In primo luogo, hanno scoperto che gli strati fortemente legati da CVD lasciano passare molto più calore rispetto alle loro controparti legate in modo lasco. Questo effetto potrebbe essere parzialmente invertito ricotturando strati debolmente tenuti, rendendo il legame più forte e migliorando il trasporto del calore. Inoltre, hanno confrontato pile di quattro strati di solfuro di molibdeno con una struttura simile a una "lasagna" composta da strati alternati di solfuro di molibdeno e seleniuro di molibdeno. Tali eterostrutture presentavano una mancata corrispondenza strutturale artificiale tra strati adiacenti di atomi che portava a livelli significativamente più bassi di trasferimento di calore, più di 10 volte inferiori rispetto agli strati fortemente legati.

I risultati del team non solo dimostrano un nuovo sviluppo tecnico, ma forniscono regole di progettazione generali su come controllare il flusso di calore su scala nanometrica, indipendentemente dal fatto che si desideri un flusso maggiore o minore. Queste intuizioni porteranno allo sviluppo di isolanti ultrasottili e ultraleggeri, nonché di nuovi materiali termoelettrici, dove il calore potrebbe essere efficacemente incanalato per la conversione in elettricità. + Esplora ulteriormente

Il materiale insolito potrebbe migliorare l'affidabilità dell'elettronica e di altri dispositivi