Un modelo matemático de flujo de calor a través de cables en miniatura podría ayudar a desarrollar dispositivos termoeléctricos que conviertan de manera eficiente el calor, incluso su propio calor residual, en electricidad.

Desarrollado en A * STAR, el modelo describe el movimiento de vibraciones llamadas fonones, que se encargan de transportar calor en materiales aislantes. Los fonones se mueven típicamente en línea recta en nanocables, hilos de apenas unos pocos átomos de ancho. Cálculos anteriores sugirieron que si las partes de un nanoalambre contenían arreglos aleatorios de dos tipos diferentes de átomos, los fonones se detendrían en seco. En nanocables de aleación reales, aunque, los átomos del mismo elemento pueden agruparse para formar secciones cortas compuestas por los mismos elementos.

Ahora, Zhun-Yong Ong y Gang Zhang del Instituto A * STAR de Computación de Alto Rendimiento en Singapur han calculado los efectos de este orden de corto alcance en el comportamiento de los fonones. Sus resultados sugieren que la conducción de calor en un nanoalambre no solo depende de las concentraciones relativas de los átomos de la aleación y la diferencia en sus masas; también depende de cómo se distribuyan los átomos.

Su modelo simulaba un nanoalambre de 88 micrómetros de largo que contenía 160, 000 átomos de dos elementos diferentes. Descubrieron que cuando el nanoalambre estaba más ordenado, que contenía grupos de los mismos elementos, los fonones de baja frecuencia luchaban por moverse. A diferencia de, Los fonones de alta frecuencia podrían viajar mucho más lejos que la longitud promedio de las regiones ordenadas en la aleación. "Los fonones de alta frecuencia eran más móviles de lo que imaginamos, "dice Ong.

Los investigadores utilizaron su modelo para estudiar la resistencia térmica de un nanoalambre que contiene una mezcla igual de átomos de silicio y germanio. El orden de corto alcance de los átomos permitió que los fonones de alta frecuencia viajaran libremente a través del cable, dándole una resistencia térmica relativamente baja. A diferencia de, una distribución aleatoria de átomos de aleación dio como resultado una mayor resistencia, más del triple que la caja ordenada para un cable de 2,5 micrómetros de largo. "Si este desorden se puede realizar en materiales compuestos reales, entonces podríamos adaptar la conductividad térmica del sistema, "dice Ong.

Comprender la contribución relativa de los fonones de baja y alta frecuencia a la conducción de calor también podría ayudar a los investigadores a ajustar las propiedades térmicas de los nanocables en el laboratorio. "Por ejemplo, Se sabe que la rugosidad de la superficie de los nanocables reduce la contribución de la conductividad térmica de los fonones de alta frecuencia. "dice Ong.

Los investigadores esperan que su modelo ayude a los científicos a diseñar materiales compuestos con baja conductividad térmica. Una aplicación atractiva son los dispositivos termoeléctricos, explica Ong. "Como estos dispositivos se basan en un diferencial térmico, es deseable una conductividad térmica baja para un rendimiento óptimo ".