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O Estudo Novo Mostra Fluxo térmicos Como Ondas em Nanostructures

Published on November 16, 2012 at 7:04 AM

Os dispositivos Termoelétricos, que podem aproveitar diferenças da temperatura para produzir a electricidade, puderam ser feitos a uns agradecimentos mais eficientes à pesquisa nova sobre a propagação do calor através das estruturas chamadas superlattices.

A pesquisa Nova mostra que isso quetransporta quase-partículas mantenha onda-como propriedades nos nanostructures. (Imagem: Adam Jandl e Maria Luckyanova)

Os resultados novos mostram, inesperada, que o calor pode viajar como ondas, um pouco do que partículas, com estes nanostructures: materiais compo das camadas somente alguns billionths de um medidor na espessura.

O Calor - a vibração dos átomos e das moléculas em um material - viaja geralmente “em uma caminhada aleatória,” que é difícil de controlar. As observações novas mostram um teste padrão muito diferente, chamado o fluxo coerente, que é mais como as ondinhas que se movem através de uma lagoa em uma maneira em ordem.

Isto abre a possibilidade de materiais novos em que o fluxo de calor poderia precisamente ser costurado - os materiais que poderiam ter aplicações importantes. Por exemplo, tal pesquisa pôde conduzir às maneiras novas de derramar o calor gerado por dispositivos electrónicos e por lasers do semicondutor, que impede do desempenho e pode mesmo destruir os dispositivos.

A nova obra, pelo aluno diplomado Maria Luckyanova, pelo postdoc Jivtesh Garg e pelo professor Grupo Chen, todo o Departamento do MIT da Engenharia Mecânica - junto com outros estudantes e professores no MIT, na Universidade de Boston, no Instituto de Tecnologia de Califórnia e na Faculdade de Boston - é relatada esta semana na Ciência do jornal.

O estudo envolve um material nanostructured chamado um superlattice: neste caso, uma pilha de alternar camadas finas de arsenieto de gálio e de arsenieto do alumínio, cada um depositados por sua vez com um processo chamou o depósito de vapor químico metal-orgânico. Os Produtos Químicos que contêm estes elementos são vaporizados em um vácuo, e depositados então em uma superfície, suas espessuras controladas precisamente com a duração do processo do depósito. As camadas resultantes eram apenas 12 nanômetros densamente - sobre a espessura de uma molécula do ADN - e as estruturas inteiras variaram na espessura de 24 a 216 nanômetros.

Os Pesquisadores tinham acreditado previamente que mesmo que tais camadas poderiam ser atômica perfeitas, ainda haveria bastante aspereza nas relações entre as camadas para dispersar o calor-transporte de quase-partículas, chamado fonão, porque se moveram com o superlattice. Em um material com muitas camadas, tais efeitos da dispersão acumulariam, era pensamento, e “destrua o efeito da onda” dos fonão, diz Chen, Professor de Carl Richard Soderberg da Engenharia de Potência. Mas esta suposição tinha sido provada nunca, assim que e seus colegas decidiram reexaminar o processo, diz.

Certamente, as experiências por Luckyanova e as simulações computorizadas por Garg mostraram que quando tal dispersão fase-randomizing ocorrer entre fonão de alta freqüência, os efeitos da onda estiveram preservados entre fonão de baixa frequência. Chen diz que estêve surpreendido muito quando Luckyanova voltou com os primeiros dados experimentais à mostra “que a condução coerente do calor está acontecendo realmente.”

Compreender os factores que controlam esta coerência poderia, por sua vez, conduzir para melhorar maneiras de quebrar essa coerência e de reduzir a condução do calor, Chen diz. Isto seria desejável em dispositivos termoelétricos aproveitar energia calorífica não utilizada em tudo dos centrais energética à eletrônica. Tais aplicações exigem os materiais que conduzem a electricidade muito bem mas conduzem o calor muito deficientemente.

O trabalho podia igualmente melhorar o derramamento do calor, como para refrigerar dos chip de computador. A capacidade para focalizar e o fluxo de calor directo podiam conduzir para melhorar a gestão térmica para tais dispositivos. Chen diz que os pesquisadores não sabem ainda exercer tal controle preciso, mas a compreensão nova poderia ajudar. Compreender este mecanismo onda-baseado “dá-lhe mais maneiras de manipular o transporte” do calor, diz.

Os dois materiais usados nesta experiência têm propriedades muito similares, Luckyanova diz, e electricidade da conduta muito bem. Mas controlando a espessura e espaçando das camadas, diz, “nós acredita que nós podemos manipular o transporte térmico,” produzindo o tipo do efeito de isolamento necessário para dispositivos termoelétricos.

O papel das relações entre as camadas de um material “é algo que não foi compreendido realmente,” Garg diz. As simulações Precedentes não tinham incluído os efeitos da variação na textura de superfície no processo, diz, mas “Eu realizei que havia uma maneira de simular o papel da aspereza” nos fonão da maneira movidos através da pilha de camadas.

A nova obra fornece não somente a possibilidade de controlar o fluxo do calor (levado na maior parte por fonão com comprimentos de onda curtos) mas igualmente para controlar o movimento das ondas sadias (levadas primeiramente por fonão do longo-comprimento de onda). “É realmente meio uma compreensão fundamental,” Chen diz.

As introspecções que tornaram o trabalho possível elevararam na grande parte com as interacções entre pesquisadores nas disciplinas diferentes, facilitadas através do Centro de Conversão Solar-Térmico De Circuito Integrado da Energia, um Centro da Fronteira da Energia financiado pelo Ministério de E.U. de Energia, que realiza reuniões cruz-disciplinares regulares no MIT. “Aquelas reuniões forneceram as discussões longas, frutuosas que reforçaram realmente o papel,” Luckyanova dizem. A variedade de povos no grupo “incentivou-nos realmente atacar este problema de todos os lados.”

As Damas de Chris, um professor adjunto activo da engenharia mecânica na Universidade Da California em Berkeley, dizem que este é o primeiro estudo que está ciente daquele olhou em detalhe no efeito do número de camadas em um superlattice na transmissão dos fonão. “Compreender e controlar a transferência térmica nos superlattices são com certeza dispositivos optoelectronic muito importantes, e têm o potencial impactar também a conversão de energia termoelétrico,” diz.

Os co-autores do papel incluem Mildred Dresselhaus, Professor Emerita do Instituto; Eugene Fitzgerald, Merton C. Flemings SMA Professor da Ciência e da Engenharia de Materiais; e diversos outro. Luckyanova foi apoiado financiando de uma bolsa de estudo da pesquisa do graduado do National Science Foundation.

Source: http://web.mit.edu

Last Update: 16. November 2012 07:50

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