Un equipo de investigación dirigido por Joe Feser en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Delaware ha desarrollado un nuevo enfoque para simular la transferencia de calor a nanoescala en materiales.
Materiales termoeléctricos, que puede convertir directa y reversiblemente el calor en energía eléctrica, se utilizan en una variedad de aplicaciones, incluida la refrigeración de dispositivos electrónicos y la conversión de energía térmica residual.
Un desafío persistente asociado con los materiales termoeléctricos es la eficiencia:si pudieran diseñarse para convertir el calor en electricidad de manera más eficiente, la puerta se abriría a una amplia gama de aplicaciones prácticas.
Para hacerlos más eficientes, los materiales deben actuar como un aislante térmico mientras que electrónicamente se comportan como un conductor, una característica que no se encuentra a menudo en los materiales naturales.
Un grupo de investigación dirigido por Joe Feser, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Delaware, está investigando los límites del transporte de calor utilizando un conjunto de nuevas herramientas para la medición y simulación térmica a nanoescala, con miras a la creación de materiales más eficientes termoeléctricamente.
Una estrategia común empleada por su grupo es el uso de nanopartículas para dispersar las vibraciones portadoras de calor, conocidos como fonones. El equipo está desarrollando herramientas para estudiar la dispersión de fonones para que el tamaño, forma, y la composición de nanopartículas se puede optimizar para aplicaciones termoeléctricas.
Fonones dispersos de una simulación atomística de nanopartículas de germanio incrustadas en un semiconductor de silicio. El germanio pesado dispersa fuertemente las ondas entrantes del silicio, pero es tan pesado que sus átomos apenas se mueven. El software es capaz de simular una región de silicio infinitamente grande al absorber la energía de las ondas salientes en una caja delgada en el borde exterior de la simulación llamada "capa perfectamente combinada" (resaltada con líneas punteadas) que actúa como una esponja - absorbiendo energía sin reflejarla hacia la nanopartícula.
Feser y el estudiante de doctorado Rohit Kakodkar informaron recientemente un nuevo enfoque a ese problema en un artículo, "Un marco para resolver problemas de dispersión de la estructura de fonones atomísticos en el dominio de la frecuencia utilizando límites de capa perfectamente emparejados, " en el Revista de física aplicada .
El nuevo marco reduce significativamente la cantidad de potencia computacional necesaria para simular la dispersión de fonones y aumenta en gran medida el tamaño máximo de los sistemas que se pueden estudiar con computadoras.
Feser explica que los modelos de mecánica continua, que, en aras de la eficiencia, ignore el hecho de que la materia está formada por átomos; tradicionalmente se utilizan para explicar fenómenos como la dispersión de fonones. Sin embargo, Si bien este enfoque es lo suficientemente preciso en escalas de longitud mayores que la distancia entre átomos, puede no ser eficaz para caracterizar el comportamiento de ondas de longitud nanométrica, que son a menudo las longitudes de onda implicadas en el transporte de calor.
La solución obvia es tener simulaciones que incluyan una ecuación para cada átomo individual y rastreen el comportamiento durante un período prolongado de tiempo, pero ahí es donde ocurre el atasco computacional. Las técnicas tradicionales como la dinámica molecular son demasiado lentas para simular la dispersión de cada vibración portadora de calor por separado, y otras técnicas existentes tienen una capacidad limitada para simular grandes sistemas.
El modelo atomístico desarrollado por Feser y Kakodkar puede resolver una gran cantidad de átomos a la vez. "Básicamente, lo que hemos hecho es eliminar la física innecesaria e incorporar datos que ya conocemos sobre las soluciones en el procedimiento de solución, "Dice Feser.
Otro uso importante de la nueva herramienta es que ha permitido a los investigadores resolver controversias de larga data sobre cómo describir la física de los fonones que encuentran interfaces, es decir, si viajan de manera coherente o se dispersan de manera difusa, y especialmente cómo el desorden cambia eso. El marco también tiene la ventaja de que se puede ampliar para su uso con supercomputadoras, que están viendo un mayor uso para simulaciones complejas.
Por último, el objetivo es tener un control preciso sobre el diseño de nuevos materiales al nivel de sus componentes más pequeños.
"El diseño de nuevos materiales que superan los límites de las propiedades de transporte alcanzables, es decir, conductividad térmica, conductancia de la interfaz, capacidad calorífica, y factor de potencia termoeléctrica:permitirá el desarrollo de nuevas tecnologías de dispositivos basadas en estos materiales, "Dice Feser.
