(PhysOrg.com) - Un esfuerzo de la Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de hace dos años que involucra a la Universidad de Michigan, Universidad Stanford, Universidad de Brown, y la Universidad de California en Santa Cruz está dando grandes pasos para lograr una comprensión fundamental de la transferencia de calor en las interfaces.

"Nuestro objetivo es lograr esto aplicando técnicas de vanguardia de varias disciplinas para llegar a un conjunto de reglas de diseño para interfaces de ingeniería con propiedades térmicas deseadas, "dijo el Dr. Kevin Pipe, profesor de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Michigan que dirige el proyecto.

La transferencia de calor es importante para el rendimiento, requerimientos de energía, y confiabilidad de muchos sistemas militares y comerciales, incluidos refrigeradores termoeléctricos, sistemas de recuperación de calor residual, disipadores de calor, electrónica de potencia, revestimientos de barrera térmica, y materiales de interfaz térmica.

"Los recientes avances en nanociencia han permitido el control preciso de la estructura física y química de la interfaz, pero la física fundamental que vincula esta estructura a nanoescala con el transporte térmico aún no está bien desarrollada, inhibir la ingeniería de interfaces con propiedades térmicas radicalmente mejoradas, "Dijo Pipe.

Las interfaces pueden disminuir la conductividad térmica de un material compuesto al dispersar las ondas acústicas que son las principales portadoras de calor en los sólidos.

"Este proceso de dispersión le da a cada interfaz una resistencia térmica, "Dijo Pipe.

Los investigadores han logrado una serie de logros durante los dos primeros años de su esfuerzo de investigación, incluido el desarrollo de un sistema de imagen térmica de alta velocidad y una técnica para medir la propagación de fonones, los paquetes elementales de energía vibratoria que transportan calor, con alta relación señal-ruido. Utilizando sistemas láser ultrarrápidos que emiten pulsos láser de menos de 50 femtosegundos de duración, El equipo de Pipe crea ondas acústicas de alta frecuencia en la superficie de un material y, en un proceso similar al de las imágenes de ultrasonido médico, mide cómo estas ondas se dispersan fuera de las estructuras de interfaz enterradas.

"En una de nuestras medidas, "dijo Pipe, "Usamos pulsos de rayos X de picosegundos para observar directamente el movimiento atómico cerca de una interfaz cuando el calor fluye a través de ella".

Aplicando técnicas precisas de nanofabricación para crear interfaces con estructura atómica conocida, los investigadores pueden vincular las propiedades de transferencia de calor medidas con las predicciones de simulaciones atomísticas para obtener una mayor comprensión de los procesos fundamentales involucrados.

"Al avanzar en el estado de la técnica en estas técnicas, nuestro objetivo es caracterizar completamente una interfaz y lograr una comprensión completa de lo que controla el flujo de calor a través de ella, "Dijo Pipe.

"El Michigan MURI dirigido por el profesor Kevin Pipe está logrando avances extraordinarios para comprender el transporte térmico a nanoescala al adaptar con precisión interfaces utilizando técnicas de procesamiento avanzadas e innovadores métodos experimentales basados ​​en láser para delinear los modos de fonón que participan en el transporte de calor, "dijo el Dr. Kumar V. Jata, Ciencias Termales, AFOSR, Arlington, Va. Y Ciencia de los Materiales, Oficina Asiática de Investigación y Desarrollo Aeroespacial, Tokio Japón. "En el pasado, nunca prestamos atención a las interfaces y las considerábamos perfectas o imperfectas, uno o el otro."