Mediante una combinación de diseño de materiales a escala atómica y mediciones ultrarrápidas, Los investigadores de la Universidad de Illinois han revelado nuevos conocimientos sobre cómo fluye el calor a través de una interfaz entre dos materiales.

Los investigadores demostraron que una sola capa de átomos puede interrumpir o mejorar el flujo de calor a través de una interfaz. Sus resultados se publican esta semana en Nature Materials.

Un mejor control del intercambio de calor es un elemento clave para mejorar el rendimiento de las tecnologías actuales, como los circuitos integrados y los motores de combustión, así como las tecnologías emergentes, como los dispositivos termoeléctricos. que cosechan energía renovable del calor residual. Sin embargo, lograr el control se ve obstaculizado por una comprensión incompleta de cómo se conduce el calor a través y entre los materiales.

"El calor viaja a través del material aislante eléctrico a través de 'fonones, 'que son vibraciones colectivas de átomos que viajan como ondas a través de un material, "dijo David Cahill, un profesor Willett y director de ciencia e ingeniería de materiales en Illinois y coautor del artículo. "En comparación con nuestro conocimiento de cómo la electricidad y la luz viajan a través de los materiales, el conocimiento de los científicos sobre el flujo de calor es bastante rudimentario ".

Una de las razones por las que este conocimiento sigue siendo difícil de alcanzar es la dificultad de medir con precisión las temperaturas, especialmente en escalas de pequeña longitud y en períodos cortos de tiempo, los parámetros bajo los que operan muchos micro y nano dispositivos.

En la última década, El grupo de Cahill ha perfeccionado una técnica de medición utilizando pulsos láser muy cortos, durando solo una billonésima de segundo, para sondear el flujo de calor con precisión con una resolución de profundidad nanométrica. Cahill se asoció con Paul Braun, el profesor Racheff de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la U. de I. y líder en síntesis de materiales a nanoescala, aplicar la técnica para comprender cómo las características de escala atómica afectan el transporte de calor.

"Estos experimentos utilizaron un 'sándwich molecular' que nos permitió manipular y estudiar el efecto que la química en la interfaz tiene sobre el flujo de calor, a escala atómica, "Dijo Braun.

Los investigadores ensamblaron su sándwich molecular depositando primero una sola capa de moléculas sobre una superficie de cuarzo. Próximo, a través de una técnica conocida como impresión por transferencia, colocaron una película de oro muy fina encima de estas moléculas. Luego aplicaron un pulso de calor a la capa de oro y midieron cómo viajaba a través del sándwich hasta el cuarzo en la parte inferior.

Ajustando solo la composición de las moléculas en contacto con la capa de oro, el grupo observó un cambio en la transferencia de calor dependiendo de la fuerza con la que la molécula se uniera al oro. Demostraron que una unión más fuerte producía un doble aumento en el flujo de calor.

"Esta variación en el flujo de calor podría ser mucho mayor en otros sistemas, "dijo Mark Losego, quien dirigió este esfuerzo de investigación como becario postdoctoral en Illinois y ahora es profesor de investigación en la Universidad Estatal de Carolina del Norte. "Si los modos de vibración de los dos sólidos fueran más similares, podríamos esperar cambios de hasta un factor de 10 o más ".

Los investigadores también utilizaron su capacidad para ajustar sistemáticamente la química interfacial para marcar un valor de flujo de calor entre los dos extremos. verificar la capacidad de utilizar este conocimiento para diseñar sistemas de materiales con las propiedades de transporte térmico deseadas.

"Básicamente, hemos demostrado que cambiar incluso una sola capa de átomos en la interfaz entre dos materiales tiene un impacto significativo en el flujo de calor a través de esa interfaz, "dijo Losego.

Científicamente, este trabajo abre nuevas vías de investigación. El grupo de Illinois ya está trabajando hacia una comprensión fundamental más profunda de la transferencia de calor mediante el perfeccionamiento de los métodos de medición para cuantificar la rigidez de la unión interfacial. así como investigar la dependencia de la temperatura, lo que revelará una mejor imagen fundamental de cómo los cambios en la química de la interfaz están interrumpiendo o mejorando el flujo de calor a través de la interfaz.

"Durante muchos años, los modelos físicos para el flujo de calor entre dos materiales han ignorado las características de nivel atómico de una interfaz, ", Dijo Cahill." Ahora estas teorías necesitan ser refinadas. Los métodos experimentales desarrollados aquí ayudarán a cuantificar el grado en que las características estructurales interfaciales contribuyen al flujo de calor y se utilizarán para validar estas nuevas teorías ".

Braun y Cahill están afiliados al Laboratorio de Investigación de Materiales Frederick Seitz en la U. de I. Braun también está afiliado al departamento de química y al Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas. La Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea apoyó este trabajo.