(PhysOrg.com) - Um esforço de Iniciativa de Pesquisa Universitária Multidisciplinar do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea envolvendo a Universidade de Michigan, Universidade de Stanford, Brown University, e a Universidade da Califórnia em Santa Cruz está fazendo grandes avanços para alcançar uma compreensão fundamental da transferência de calor em interfaces.

"Nosso objetivo é conseguir isso aplicando técnicas de ponta de várias disciplinas para chegar a um conjunto de regras de design para interfaces de engenharia com propriedades térmicas desejadas, "disse o Dr. Kevin Pipe, um professor de Engenharia Mecânica da Universidade de Michigan que está liderando o projeto.

A transferência de calor é importante para o desempenho, Requerimentos poderosos, e confiabilidade de muitos sistemas militares e comerciais, incluindo refrigeradores termoelétricos, sistemas de recuperação de calor residual, dissipadores de calor, eletrônica de potência, revestimentos de barreira térmica, e materiais de interface térmica.

"Avanços recentes na nanociência têm permitido o controle preciso da estrutura física e química da interface, mas a física fundamental que liga esta estrutura em nanoescala com o transporte térmico ainda não está bem desenvolvida, inibindo a engenharia de interfaces com propriedades térmicas radicalmente aprimoradas, "disse Pipe.

As interfaces podem diminuir a condutividade térmica de um material composto, espalhando as ondas acústicas que são os principais portadores de calor nos sólidos.

"Este processo de espalhamento dá a cada interface uma resistência térmica, "disse Pipe.

Os pesquisadores fizeram uma série de realizações durante os primeiros dois anos de seu esforço de pesquisa, incluindo o desenvolvimento de um sistema de imagem térmica de alta velocidade e uma técnica para medir a propagação de fônons, os pacotes elementares de energia vibracional que transportam calor, com alta relação sinal-ruído. Usando sistemas de laser ultrarrápidos que emitem pulsos de laser com menos de 50 femtossegundos de duração, A equipe de Pipe cria ondas acústicas de alta frequência na superfície de um material e, em um processo semelhante ao de ultrassom médico, mede como essas ondas se espalham pelas estruturas de interface enterradas.

"Em uma de nossas medições, "disse Pipe, "usamos pulsos de raios-x de picossegundos para observar diretamente o movimento atômico próximo a uma interface conforme o calor flui por ela."

Ao aplicar técnicas precisas de nanofabricação para criar interfaces com estrutura atômica conhecida, os pesquisadores são capazes de vincular propriedades de transferência de calor medidas com as previsões de simulações atomísticas para produzir uma maior compreensão dos processos fundamentais envolvidos.

"Ao avançar o estado da arte nessas técnicas, pretendemos caracterizar completamente uma interface e alcançar uma compreensão completa do que controla o fluxo de calor através dela, "disse Pipe.

"O Michigan MURI liderado pelo professor Kevin Pipe está fazendo descobertas extraordinárias para entender o transporte térmico em nanoescala, adaptando com precisão as interfaces usando técnicas de processamento avançadas e métodos experimentais inovadores baseados em laser para delinear os modos de fônon que participam do transporte de calor, "disse o Dr. Kumar V. Jata, Ciências Térmicas, AFOSR, Arlington, Va. E Ciência dos Materiais, Escritório Asiático de Pesquisa e Desenvolvimento Aeroespacial, Tóquio, Japão. "No passado, nunca prestávamos atenção às interfaces e as considerávamos perfeitas ou imperfeitas, um ou outro."