Un equipo de investigación del NIMS ha desarrollado una técnica que permite la observación a nanoescala de las rutas de propagación del calor y el comportamiento dentro de muestras de materiales. Esto se logró utilizando un microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM) capaz de emitir un haz de electrones pulsados y un termopar de tamaño nanométrico, un dispositivo de medición de temperatura de alta precisión desarrollado por NIMS. La investigación se publica en Science Advances .
El interés público por la conservación y el reciclaje de energía ha crecido considerablemente en los últimos años. Este cambio ha inspirado a los científicos a desarrollar materiales/dispositivos de próxima generación capaces de controlar y utilizar el calor con un alto grado de precisión, incluidos dispositivos termoeléctricos capaces de convertir el calor residual en electricidad y compuestos de disipación de calor que pueden enfriar componentes electrónicos expuestos a altas temperaturas.
Ha sido difícil medir la propagación del calor a nanoescala dentro de los materiales porque sus características (es decir, las amplitudes, velocidades, trayectorias y mecanismos de propagación de las ondas térmicas viajeras) varían dependiendo de las características de un material (es decir, su composición y tamaño y los tipos y abundancia de defectos en su interior) al que se aplica calor. Por tanto, se había anticipado el desarrollo de nuevas técnicas que permitieran la observación in situ de cómo fluye el calor a través de las nanoestructuras de los materiales.
Este equipo de investigación desarrolló una técnica de observación de la propagación del calor a nanoescala utilizando un STEM en el que se aplica un haz de electrones nanométrico pulsado a un sitio específico de una muestra de material, generando calor que luego se mide en forma de cambios de temperatura utilizando un termopar nanométrico desarrollado por NIMS. .
Irradiar la muestra con un haz de electrones pulsados permite la medición periódica de diferentes fases de las ondas térmicas y el análisis de las velocidades y amplitudes de las ondas térmicas.
Además, el reposicionamiento preciso a nanoescala de los sitios de irradiación permite obtener imágenes de los cambios temporales en las fases y amplitudes de las ondas térmicas. Estas imágenes se pueden utilizar no solo para realizar mediciones de conductividad térmica a nanoescala, sino también para crear un vídeo animado que rastrea la propagación del calor.
Las complejas relaciones entre las microestructuras de los materiales y cómo fluye el calor a través de ellos pueden dilucidarse observando la propagación del calor a nanoescala utilizando la técnica in situ desarrollada en este proyecto.
La técnica puede permitir la investigación de mecanismos complejos de conducción térmica dentro de compuestos de disipación de calor, la evaluación de la conducción térmica interfacial dentro de uniones microsoldadas y la observación in situ del comportamiento térmico dentro de materiales termoeléctricos.
Esto puede contribuir al desarrollo de materiales/dispositivos termoeléctricos y materiales de transporte térmico de próxima generación de alto rendimiento y alta eficiencia.
Más información: Hieu Duy Nguyen et al, Observaciones de ondas térmicas in situ STEM para investigar la difusividad térmica en materiales y dispositivos a nanoescala, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj3825
Proporcionado por el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales
