La investigación científica nos ha proporcionado una comprensión fundamental de cómo la luz (a través de fotones) y la electricidad (a través de electrones) se mueven dentro y entre materiales a niveles micrométricos o nanométricos. haciendo posible una amplia variedad de dispositivos en miniatura como transistores, sensores ópticos y sistemas microelectromecánicos (MEMS). Sin embargo, El conocimiento del hombre sobre el flujo de calor a micro y nanoescala es, en el mejor de los casos, rudimentario.
Ahora, un equipo de investigación de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (UIUC) ha desarrollado un sistema novedoso para examinar y medir la conductancia térmica a nanoescala en la interfaz entre dos materiales. Con mayor refinamiento, los científicos creen que su avance algún día puede proporcionar datos para aplicaciones como la recolección de electricidad a partir del calor residual, mejor enfriamiento de los dispositivos microelectrónicos y "búsqueda de calor" de las células enfermas mediante terapias hipertermales (por encima de la temperatura corporal normal).
Los hallazgos del equipo serán presentados por Mark Losego, ex becario postdoctoral en UIUC y ahora profesor asistente de investigación en ingeniería química y biomolecular en la Universidad Estatal de Carolina del Norte, durante el 59º Simposio y Exposición Internacional de AVS, celebrado del 28 de octubre al 28 de noviembre. 2, 2012, en Tampa, Fla.
A nanoescala, Las propiedades térmicas son el resultado de vibraciones entre átomos vecinos. Los enlaces entre los átomos transportan estas vibraciones de forma similar a un resorte oscilante. El equipo de UIUC desarrolló una técnica para estudiar los efectos de estos enlaces en el transporte de calor a través de una interfaz entre dos materiales diferentes. "Queríamos un sistema en el que pudiéramos observar, analizar y cuantificar el flujo térmico a través de una interfaz con precisión a nivel atómico, "Dice Losego.
El sistema comienza con una base de sustrato de cristal de cuarzo, sobre las que los investigadores colocan cadenas moleculares de 12 átomos de carbono de longitud. En la base de cada cadena hay un "casquete" químico que se une covalentemente al cuarzo. La atracción de estas tapas al sustrato alinea espontáneamente todas las cadenas de carbono en una matriz ordenada de moléculas conocida como monocapa autoensamblada (SAM). En el extremo opuesto de cada cadena de carbono hay un tipo diferente de tapa, ya sea un grupo tiol (azufre e hidrógeno) que se une fuertemente a los metales o un grupo metilo (carbono e hidrógeno) que se une débilmente.
"Luego utilizamos un sello de silicona viscoelástica para 'transferir la impresión' capas de oro sobre la superficie SAM, "Losego explica." Este proceso es similar a transferir una calcomanía a una camiseta donde la película dorada es la 'calcomanía' adherida al 'respaldo' del sello de silicona. Cuando pelemos lentamente la silicona, dejamos la capa de oro encima del SAM ".
Está en la interfaz entre la película de oro y el SAM, Losego dice, donde se caracteriza el flujo de calor a nanoescala. "Cambiar los grupos químicos que están en contacto con la capa de oro nos permite ver cómo los diferentes enlaces afectan la transferencia de calor, " él añade.
Combinado con una técnica láser ultrarrápida capaz de monitorear la caída de temperatura (o pérdida de calor) con una resolución de picosegundos (billonésima de segundo), los investigadores de la UIUC pueden utilizar su sistema experimental para evaluar el flujo de calor a escala atómica. "Calentamos la capa de oro adherida a la monocapa y podemos controlar el deterioro de la temperatura con el tiempo, "Explica Losego." Al mismo tiempo, observamos oscilaciones en la película de oro que indican la fuerza de los enlaces en la unión oro-SAM. Usando estas medidas, podemos verificar de forma independiente que los enlaces fuertes [oscilaciones de decaimiento rápido] tienen una transferencia de calor rápida, mientras que los enlaces débiles [oscilaciones de decadencia lenta] tienen una transferencia de calor más lenta ".
Los investigadores planean perfeccionar su sistema de medición térmica a nanoescala y desarrollar cálculos teóricos para interpretar mejor los datos que produce.
