Un gruppo di ricerca NIMS ha sviluppato una tecnica che consente l'osservazione su scala nanometrica dei percorsi e del comportamento di propagazione del calore all'interno dei campioni di materiale. Ciò è stato ottenuto utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione a scansione (STEM) in grado di emettere un fascio di elettroni pulsati e una termocoppia di dimensioni nanometriche, un dispositivo di misurazione della temperatura ad alta precisione sviluppato da NIMS. La ricerca è pubblicata su Science Advances .
L’interesse del pubblico per il risparmio energetico e il riciclaggio è cresciuto notevolmente negli ultimi anni. Questo cambiamento ha ispirato gli scienziati a sviluppare materiali/dispositivi di prossima generazione in grado di controllare e utilizzare il calore con un elevato grado di precisione, compresi dispositivi termoelettrici in grado di convertire il calore di scarto in elettricità e compositi di dissipazione del calore in grado di raffreddare i componenti elettronici esposti ad alte temperature.
È stato difficile misurare la propagazione del calore su scala nanometrica all’interno dei materiali perché le sue caratteristiche (vale a dire, le ampiezze, le velocità, i percorsi e i meccanismi di propagazione delle onde termiche viaggianti) variano a seconda delle caratteristiche di un materiale (vale a dire, la sua composizione e dimensione e i tipi e abbondanza di difetti al suo interno) a cui viene applicato calore. Era quindi stato previsto lo sviluppo di nuove tecniche che consentano l'osservazione in situ di come il calore fluisce attraverso le nanostrutture dei materiali.
Questo gruppo di ricerca ha sviluppato una tecnica di osservazione della propagazione del calore su scala nanometrica utilizzando uno STEM in cui un fascio di elettroni pulsato di dimensioni nanometriche viene applicato a un sito specifico di un campione di materiale, generando calore che viene quindi misurato sotto forma di variazioni di temperatura utilizzando una termocoppia nanometrica sviluppata da NIMS .
L'irradiazione del campione con un fascio di elettroni pulsati consente la misurazione periodica delle diverse fasi dell'onda termica e l'analisi delle velocità e delle ampiezze delle onde termiche.
Inoltre, il preciso riposizionamento su scala nanometrica dei siti di irradiazione consente l’imaging dei cambiamenti temporali nelle fasi e nelle ampiezze delle onde termiche. Queste immagini possono essere utilizzate non solo per eseguire misurazioni della conducibilità termica su scala nanometrica, ma anche per creare un video animato che traccia la propagazione del calore.
Le complesse relazioni tra le microstrutture dei materiali e il modo in cui il calore fluisce attraverso di esse possono essere chiarite osservando la propagazione del calore su scala nanometrica utilizzando la tecnica in-situ sviluppata in questo progetto.
La tecnica può consentire lo studio di complessi meccanismi di conduzione termica all'interno dei compositi di dissipazione del calore, la valutazione della conduzione termica interfacciale all'interno di giunti microsaldati e l'osservazione in situ del comportamento termico all'interno dei materiali termoelettrici.
Ciò potrebbe contribuire allo sviluppo di materiali/dispositivi termoelettrici e materiali/dispositivi termoelettrici di nuova generazione ad alte prestazioni e ad alta efficienza.
Ulteriori informazioni: Hieu Duy Nguyen et al, Osservazioni STEM in situ delle onde termiche per studiare la diffusività termica in materiali e dispositivi su scala nanometrica, Progressi scientifici (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj3825
Fornito dall'Istituto nazionale per la scienza dei materiali
