Los nuevos hallazgos han resuelto un obstáculo de larga data en la investigación para comprender los efectos de la conducción de calor en materiales sólidos. un problema crítico en muchas aplicaciones, desde la conversión de energía hasta la refrigeración de la electrónica.

El descubrimiento podría ayudar a los esfuerzos para mejorar una serie de tecnologías, incluidos los dispositivos termoeléctricos, que convierten el calor en electricidad; revestimientos de barrera térmica como los que se utilizan para proteger las palas de los motores de turbina del calentamiento extremo; disipadores de calor para refrigeración de componentes electrónicos; combustibles nucleares; e investigación sobre la transferencia de calor en estado sólido en general.

La investigación se refiere al papel crucial de los "fonones, "fenómenos de mecánica cuántica que describen cómo viajan las vibraciones a través de la estructura cristalina de un material. Los fonones interactúan, a veces se combinan y se dividen en nuevos fonones, cambiar de dirección y comportamiento.

Esta "dispersión" es fundamental para la forma en que un material conduce el calor. Hasta ahora, los investigadores han podido modelar de manera realista solo las interacciones de tres fonones. En nuevos hallazgos, sin embargo, Los investigadores de la Universidad de Purdue y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge han demostrado cómo modelar con precisión las interacciones de cuatro fonones y su efecto sobre el flujo de calor.

"Ser capaz de predecir la dispersión de cuatro fonones ha sido un desafío durante décadas, "dijo Xiulin Ruan, un profesor de Purdue de ingeniería mecánica.

Las interacciones de cuatro fonones se han ignorado durante mucho tiempo, en parte porque se consideraban insignificantes y los investigadores no sabían cómo modelarlos.

"Ahora hemos demostrado claramente la importancia de la dispersión de cuatro fonones, " él dijo.

Los hallazgos se detallaron en un artículo que apareció en línea en octubre en la revista. Revisión física B . Se destacó como un documento de "Comunicaciones rápidas", ya que los hallazgos son especialmente oportunos y relevantes. El artículo fue coautor de la ex estudiante de doctorado de Purdue Tianli Feng, quien ahora es investigador postdoctoral en la Universidad de Vanderbilt y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge; El investigador de Oak Ridge, Lucas Lindsay; y Ruan.

Hasta ahora, simular la dispersión de cuatro fonones ha requerido 10, 000 veces los recursos computacionales como dispersión de tres fonones, haciendo inviable realizar predicciones teóricas de calidad. Sin embargo, el equipo de Purdue ha desarrollado un nuevo método para realizar los cálculos teóricos y ha optimizado la simulación de la dispersión de cuatro fonones, reduciendo los recursos computacionales necesarios.

"Es una nueva imagen física, "Dijo Feng." El mecanismo de dispersión de cuatro fonones ya era conocido, pero nadie sabía cómo hacer las predicciones teóricas ni cómo valorar su importancia, que son lo que hemos logrado ".

Ser capaz de incorporar datos de cuatro fonones en los cálculos ayudará a los investigadores a desarrollar nuevos materiales. Los materiales que tienen una conductividad térmica ultra alta son ideales para disipadores de calor, mientras que aquellos con baja conductividad térmica son adecuados para aplicaciones termoeléctricas y recubrimientos de barrera térmica.

Los nuevos hallazgos demuestran que solo el uso de la dispersión de tres fonones en los cálculos produce resultados que sobrestiman el rendimiento de algunos materiales mientras que subestiman el rendimiento de otros.

"El riguroso marco desarrollado por el equipo de investigación para incluir la dispersión de cuatro fonones es novedoso y de gran importancia científica, "dijo Alan McGaughey, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad Carnegie Mellon. "Sus hallazgos arrojan luz importante sobre predicciones teóricas y mediciones experimentales anteriores, y ayudará a orientar el desarrollo de nuevos materiales para una amplia gama de aplicaciones. De particular interés es el potencial para establecer límites sobre cuán alta o baja puede ser la conductividad térmica en un rango de temperaturas ".

Los investigadores están desarrollando alternativas al diamante para aplicaciones como disipadores de calor para refrigeración de componentes electrónicos. Una de esas alternativas potenciales, llamados arseniuros de boro y zinc-blenda, Se ha demostrado en cálculos teóricos que rivaliza con el diamante en conductividad térmica.

Sin embargo, Los nuevos hallazgos que aplican la dispersión de cuatro fonones muestran que las predicciones anteriores sobrestimaron el potencial del material en más del 50 por ciento a temperatura ambiente e incluso más a temperaturas más altas. Mientras tanto, Se demostró que las predicciones teóricas anteriores subestiman el potencial de los materiales a base de silicio para aplicaciones termoeléctricas a altas temperaturas.

"Lo que demostramos aquí es que el límite superior teórico no es tan alto como se pensaba anteriormente para el arseniuro de boro y zinc-blenda, "Dijo Lindsay." Sin embargo, su conductividad prevista es todavía mucho más alta que la de la mayoría de los materiales, y sigue siendo un sistema prometedor ".

La investigación, que ha sido completamente teórico, puede explicar la discrepancia anterior entre las conductividades térmicas previstas y experimentales del silicio a alta temperatura. Se ampliará para incluir más experimentos de laboratorio.