Novas descobertas resolveram um obstáculo de longa data na pesquisa para compreender os efeitos da condução de calor em materiais sólidos, um problema crítico em muitos aplicativos, da conversão de energia ao resfriamento eletrônico.

A descoberta pode ajudar nos esforços para melhorar uma série de tecnologias, incluindo dispositivos termelétricos, que transformam calor em eletricidade; revestimentos de barreira térmica, como aqueles usados ​​para proteger as pás do motor de turbina de aquecimento extremo; dissipadores de calor para resfriamento de eletrônicos; combustíveis nucleares; e pesquisas em transferência de calor em estado sólido em geral.

A pesquisa trata do papel crucial dos "fônons, "fenômenos da mecânica quântica que descrevem como as vibrações viajam através da estrutura cristalina de um material. Os fônons interagem, às vezes combinando e se dividindo em novos fônons, mudança de direção e comportamento.

Esse "espalhamento" é fundamental para a forma como um material conduz o calor. Até agora, os pesquisadores foram capazes de modelar realisticamente apenas as interações de três fônons. Em novas descobertas, Contudo, pesquisadores da Purdue University e do Oak Ridge National Laboratory mostraram como modelar com precisão as interações de quatro fônons e seus efeitos no fluxo de calor.

"Ser capaz de prever a dispersão de quatro fônons tem sido um desafio de décadas, "disse Xiulin Ruan, um professor de engenharia mecânica da Purdue.

As interações de quatro fônons têm sido ignoradas há muito tempo, em parte porque eram considerados insignificantes e os pesquisadores não sabiam como modelá-los.

"Agora, mostramos claramente a importância do espalhamento de quatro fônons, " ele disse.

As descobertas foram detalhadas em um artigo publicado online em outubro no jornal Revisão Física B . Foi destacado como um artigo de "Comunicações Rápidas", visto que as descobertas são especialmente oportunas e relevantes. O artigo foi coautor do ex-aluno de doutorado de Purdue Tianli Feng, que agora é pesquisador de pós-doutorado na Vanderbilt University e no Oak Ridge National Laboratory; Lucas Lindsay, pesquisador de Oak Ridge; e Ruan.

Até agora, simular o espalhamento de quatro fônons exigiu 10, 000 vezes os recursos computacionais como espalhamento de três fônons, tornando inviável a realização de previsões teóricas de qualidade. Contudo, a equipe Purdue desenvolveu um novo método para realizar os cálculos teóricos e otimizou a simulação de espalhamento de quatro fônons, reduzindo os recursos computacionais necessários.

"É uma nova imagem física, "Feng disse." O mecanismo de espalhamento de quatro fônons já era conhecido, mas ninguém sabia como fazer as previsões teóricas ou como avaliar sua importância, que são o que conquistamos. "

Ser capaz de incorporar dados de quatro fônons em cálculos ajudará os pesquisadores a desenvolver novos materiais. Materiais com condutividade térmica ultra-alta são ideais para dissipadores de calor, enquanto aqueles com baixa condutividade térmica são adequados para aplicações termoelétricas e revestimentos de barreira térmica.

As novas descobertas demonstram que apenas o uso de espalhamento de três fônons em cálculos produz resultados que superestimam o desempenho de alguns materiais enquanto subestimam o desempenho de outros.

"A estrutura rigorosa desenvolvida pela equipe de pesquisa para incluir o espalhamento de quatro fônons é nova e de importância científica significativa, "disse Alan McGaughey, professor de engenharia mecânica na Carnegie Mellon University. "Suas descobertas lançam uma luz importante sobre as previsões teóricas anteriores e medições experimentais, e ajudará a orientar o desenvolvimento de novos materiais para uma ampla gama de aplicações. Digno de nota é o potencial para definir limites em quão alta ou baixa a condutividade térmica pode ser em uma faixa de temperaturas. "

Os pesquisadores estão desenvolvendo alternativas ao diamante para aplicações como dissipadores de calor para resfriamento de eletrônicos. Uma dessas alternativas potenciais, chamados de arsenetos de boro e zinco-blenda, foi mostrado em cálculos teóricos para rivalizar com o diamante em condutividade térmica.

Contudo, novas descobertas aplicando o espalhamento de quatro fônons mostram que as previsões anteriores superestimaram o potencial do material em mais de 50 por cento à temperatura ambiente e ainda mais em temperaturas mais altas. Enquanto isso, as previsões teóricas anteriores mostraram subestimar o potencial dos materiais à base de silício para aplicações termoelétricas em altas temperaturas.

"O que demonstramos aqui é que o limite superior teórico não é tão alto quanto se pensava anteriormente para o arsenieto de boro e zinco-blenda, "Lindsay disse." No entanto, sua condutividade prevista ainda é muito maior do que a maioria dos materiais, e ainda é um sistema promissor. "

A pesquisa, que tem sido inteiramente teórico, pode explicar a discrepância anterior entre as condutividades térmicas preditas e experimentais do silício em alta temperatura. Ele se expandirá para incluir mais experimentos de laboratório.