Por meio de uma combinação de design de materiais em escala atômica e medições ultrarrápidas, pesquisadores da Universidade de Illinois revelaram novos insights sobre como o calor flui através de uma interface entre dois materiais.

Os pesquisadores demonstraram que uma única camada de átomos pode interromper ou aumentar o fluxo de calor em uma interface. Seus resultados são publicados esta semana na Nature Materials.

O controle aprimorado da troca de calor é um elemento-chave para melhorar o desempenho das tecnologias atuais, como circuitos integrados e motores de combustão, bem como tecnologias emergentes, como dispositivos termoelétricos, que colhem energia renovável do calor residual. Contudo, alcançar o controle é dificultado por uma compreensão incompleta de como o calor é conduzido através e entre os materiais.

"O calor viaja através de material eletricamente isolante via 'fônons, 'que são vibrações coletivas de átomos que viajam como ondas através de um material, "disse David Cahill, um professor Willett e chefe de ciência e engenharia de materiais em Illinois e co-autor do artigo. "Em comparação com o nosso conhecimento de como a eletricidade e a luz viajam pelos materiais, o conhecimento dos cientistas sobre o fluxo de calor é bastante rudimentar. "

Uma razão pela qual esse conhecimento permanece indefinido é a dificuldade de medir com precisão as temperaturas, especialmente em escalas pequenas e em curtos períodos de tempo - os parâmetros sob os quais muitos dispositivos micro e nano operam.

Na última década, O grupo de Cahill refinou uma técnica de medição usando pulsos de laser muito curtos, durando apenas um trilionésimo de segundo, para sondar o fluxo de calor com precisão com resolução de profundidade nanométrica. Cahill se juntou a Paul Braun, o Professor Racheff de Ciência e Engenharia de Materiais na U. de I. e um líder em síntese de materiais em nanoescala, para aplicar a técnica para entender como as características da escala atômica afetam o transporte de calor.

"Esses experimentos usaram um 'sanduíche molecular' que nos permitiu manipular e estudar o efeito que a química na interface tem no fluxo de calor, em escala atômica, "Braun disse.

Os pesquisadores montaram seu sanduíche molecular depositando primeiro uma única camada de moléculas em uma superfície de quartzo. Próximo, através de uma técnica conhecida como impressão por transferência, eles colocaram uma película de ouro muito fina sobre essas moléculas. Em seguida, eles aplicaram um pulso de calor à camada de ouro e mediram como ele viajou pelo sanduíche até o quartzo na parte inferior.

Ajustando apenas a composição das moléculas em contato com a camada de ouro, o grupo observou uma mudança na transferência de calor dependendo da força da ligação da molécula ao ouro. Eles demonstraram que uma ligação mais forte produziu um aumento duplo no fluxo de calor.

"Esta variação no fluxo de calor pode ser muito maior em outros sistemas, "disse Mark Losego, que liderou este esforço de pesquisa como bolsista de pós-doutorado em Illinois e agora é professor pesquisador na North Carolina State University. "Se os modos vibracionais para os dois sólidos fossem mais semelhantes, poderíamos esperar mudanças de até um fator de 10 ou mais. "

Os pesquisadores também usaram sua capacidade de ajustar sistematicamente a química interfacial para marcar um valor de fluxo de calor entre os dois extremos, verificar a capacidade de usar esse conhecimento para projetar sistemas de materiais com propriedades de transporte térmico desejadas.

"Basicamente, mostramos que mudar até mesmo uma única camada de átomos na interface entre dois materiais impacta significativamente o fluxo de calor nessa interface, "disse Losego.

Cientificamente, este trabalho abre novos caminhos de pesquisa. O grupo de Illinois já está trabalhando em direção a uma compreensão fundamental mais profunda da transferência de calor, refinando os métodos de medição para quantificar a rigidez da ligação interfacial, bem como investigar a dependência da temperatura, que revelará uma imagem fundamental melhor de como as mudanças na química da interface estão interrompendo ou aumentando o fluxo de calor através da interface.

"Por muitos anos, os modelos físicos para fluxo de calor entre dois materiais ignoraram os recursos de nível atômico de uma interface, "Cahill disse." Agora essas teorias precisam ser refinadas. Os métodos experimentais desenvolvidos aqui ajudarão a quantificar até que ponto as características estruturais interfaciais contribuem para o fluxo de calor e serão usados ​​para validar essas novas teorias. "

Braun e Cahill são afiliados ao Laboratório de Pesquisa de Materiais Frederick Seitz na Universidade de I. Braun também é afiliado ao departamento de química e ao Instituto Beckman de Ciência e Tecnologia Avançada. O Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea apoiou este trabalho.