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Posted in | Nanomaterials | Nanoanalysis

Il Nuovo Studio Mostra i Flussi termici Come le Onde in Nanostructures

Published on November 16, 2012 at 7:04 AM

Le unità Termoelettriche, che possono sfruttare le differenze della temperatura per produrre l'elettricità, potrebbero essere rese a grazie più efficienti alla nuova ricerca sulla propagazione del calore attraverso le strutture chiamate superreticoli.

La Nuova ricerca mostra che quello chetrasporta le quasi particelle mantenga i beni ondulati in nanostructures. (Immagine: Adam Jandl e Maria Luckyanova)

I nuovi risultati mostrano, inatteso, che il calore può viaggiare come le onde, piuttosto che le particelle, con questi nanostructures: materiali composti dei livelli soltanto alcuni billionths di un metro di spessore.

Il Calore - la vibrazione degli atomi e delle molecole in un materiale - viaggia solitamente “in una passeggiata aleatoria,„ che è difficile da gestire. Le nuove osservazioni mostrano un reticolo molto differente, chiamato flusso coerente, che è più simile alle ondulazioni che si muovono attraverso uno stagno in un modo ordinato.

Ciò apre la possibilità di nuovi materiali in cui il flusso del calore potrebbe essere adattato precisamente - materiali che potrebbero avere applicazioni importanti. Per esempio, tale ricerca potrebbe piombo ai nuovi modi di spargimento del calore generato dagli apparecchi elettronici e dai laser a semiconduttore, che ostacola la prestazione e può anche distruggere le unità.

Il lavoro recente, dal dottorando Maria Luckyanova, dal postdoc Jivtesh Garg e dal professor il Gruppo Chen, tutto il Dipartimento del MIT dell'Ingegneria Meccanica - con altri studenti e professor al MIT, alla Boston University, all'Istituto di Tecnologia di California ed all'Istituto Universitario di Boston - è riferito questa settimana nella Scienza del giornale.

Lo studio comprende un materiale nanostructured chiamato un superreticolo: in questo caso, una pila di strati sottili alternanti dell'arsenuro di gallio e dell'arseniuro dell'alluminio, ciascuno depositati a sua volta con un trattamento ha chiamato l'applicazione a spruzzo chimica metallorganica. I Prodotti Chimici che contengono questi elementi sono vaporizzati in un vuoto e poi sono depositati su una superficie, i loro spessori gestiti precisamente con la durata del trattamento del deposito. I livelli risultanti erano densamente appena 12 nanometri - circa lo spessore di una molecola del DNA - e le intere strutture hanno variato di spessore da 24 a 216 nanometri.

I Ricercatori precedentemente avevano ritenuto che anche se tali livelli potrebbero essere atomico perfetti, ci ancora fosse abbastanza rugosità alle interfacce fra i livelli per spargere il calore-trasporto delle quasi particelle, chiamato fononi, poichè si sono mossi con il superreticolo. In un materiale con molti livelli, tali effetti di scattering si accumulerebbero, era pensiero e “distrugga l'effetto dell'onda„ dei fononi, dice Chen, il Professor di Carl Richard Soderberg di Ingegneria Energetica. Ma questo presupposto non era stato provato mai, in modo da lui ed i suoi colleghi hanno deciso di riesaminare il trattamento, dice.

Effettivamente, gli esperimenti da Luckyanova e le simulazioni su elaboratore da Garg hanno indicato che mentre tale scattering della fase-ripartizione delle probabilità ha luogo fra i fononi ad alta frequenza, gli effetti dell'onda sono stati conservati fra i fononi a bassa frequenza. Chen dice che molto è stato sorpreso quando Luckyanova ha ritornato con i primi dati sperimentali alla manifestazione “che la conduzione coerente del calore realmente sta accadendo.„

La Comprensione dei fattori che gestiscono questa coerenza potrebbe, a sua volta, piombo per migliorare i modi di rottura della quella coerenza e di diminuzione della conduzione del calore, Chen dice. Ciò sarebbe desiderabile in unità termoelettriche da sfruttare l'energia termica inutilizzata in tutto dalle centrali elettriche ad elettronica. Tali applicazioni richiedono i materiali che conducono molto bene l'elettricità ma conducono il calore molto male.

Il lavoro ha potuto anche migliorare lo spargimento del calore, come per il raffreddamento dei chip di computer. La capacità di mettere a fuoco ed il flusso di calore diretto hanno potuto piombo per migliorare la gestione termica per tali unità. Chen dice che i ricercatori ancora non sanno esercitare tale controllo preciso, ma la nuova comprensione potrebbe aiutare. La Comprensione del questo meccanismo basato a Wave “vi dà più modi manipolare il trasporto„ del calore, dice.

I due materiali utilizzati in questo esperimento hanno beni molto simili, Luckyanova dice molto bene e l'elettricità di comportamento. Ma gestendo lo spessore e spaziando dei livelli, dice, “noi crede che possiamo manipolare il trasporto termico,„ producendo il genere di effetto d'isolamento stato necessario per le unità termoelettriche.

Il ruolo delle interfacce fra i livelli di materiale “è qualcosa che realmente non sia stato capito,„ Garg dice. Le simulazioni Precedenti non erano riuscito a comprendere gli effetti della variazione nella tessitura di superficie sul trattamento, dice, ma “ho realizzato che c'era un modo simulare il ruolo della rugosità„ sui fononi di modo mobili attraverso la pila di livelli.

Il lavoro recente non solo fornisce la possibilità di gestire il flusso del calore (principalmente portato dai fononi con le brevi lunghezze d'onda) ma anche per gestire il movimento delle onde sonore (soprattutto portate dai fononi di lungo-lunghezza d'onda). “È realmente una specie di comprensione fondamentale,„ Chen dice.

Le comprensioni che hanno permesso il lavoro sono sorto nella grande parte con le interazioni fra i ricercatori nelle discipline differenti, facilitate attraverso il Centro di Conversione Semi Conduttore di Energia del Solare-Termale, un Centro di Frontiera di Energia costituito un fondo per dal Dipartimento Per L'Energia di Stati Uniti, Che tiene le riunioni inter-disciplinari regolari al MIT. “Quelle riunioni hanno fornito le discussioni lunghe e fruttuose che realmente hanno rinforzato il documento,„ Luckyanova dice. La varietà di gente nel gruppo “realmente ci ha incoraggiati ad attaccare questo problema da tutti i lati.„

Le Dame di Chris, un professore associato sostituto dell'ingegneria meccanica all'Università di California a Berkeley, dicono che questo è il primo studio è informato di quello ha osservato dettagliatamente l'effetto del numero dei livelli in un superreticolo sulla trasmissione dei fononi. “Capire e gestire lo scambio di calore nei superreticoli sono molto importanti per determinate unità optoelettroniche e che hanno il potenziale che di urtare la conversione di energia termoelettrica pure,„ dice.

I co-author del documento includono Mildred Dresselhaus, il Professor Emerita dell'Istituto; Eugene Fitzgerald, il Merton C. Flemings SMA il Professor di Scienza e di Assistenza Tecnica dei Materiali; e parecchi altri. Luckyanova è stato supportato costituendo un fondo per da un'amicizia della ricerca del laureato del National Science Foundation.

Sorgente: http://web.mit.edu

Last Update: 16. November 2012 07:48

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