A pesquisa científica nos forneceu uma compreensão fundamental de como a luz (via fótons) e eletricidade (via elétrons) se movem dentro e entre os materiais em níveis de micrômetro ou nanômetro, tornando possível uma grande variedade de dispositivos em miniatura, como transistores, sensores ópticos e sistemas microeletromecânicos (MEMS). Contudo, o conhecimento do homem sobre o fluxo de calor em micro e nanoescala é, na melhor das hipóteses, rudimentar.
Agora, uma equipe de pesquisa da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign (UIUC) desenvolveu um novo sistema para examinar e medir a condutância térmica em nanoescala na interface entre dois materiais. Com mais refinamento, os cientistas acreditam que seu avanço pode um dia fornecer dados para aplicações como a coleta de eletricidade do calor residual, melhor resfriamento de dispositivos microeletrônicos e direcionamento "em busca de calor" de células de doenças por terapias hipertérmicas (acima da temperatura corporal normal).
As descobertas da equipe serão apresentadas por Mark Losego, anteriormente um pós-doutorado na UIUC e agora um professor assistente de pesquisa em engenharia química e biomolecular na North Carolina State University, durante o 59º Simpósio e Exposição Internacional AVS, realizada de 28 de outubro a novembro. 2, 2012, em Tampa, Flórida
Na nanoescala, propriedades térmicas são o resultado de vibrações entre átomos vizinhos. As ligações entre os átomos carregam essas vibrações semelhantes a uma mola oscilante. A equipe da UIUC desenvolveu uma técnica para estudar os efeitos dessas ligações no transporte de calor em uma interface entre dois materiais diferentes. "Queríamos um sistema onde pudéssemos observar, analisar e quantificar o fluxo térmico em uma interface com precisão de nível atômico, "Losego diz.
O sistema começa com uma base de substrato de cristal de quartzo, sobre o qual os pesquisadores colocam cadeias moleculares com 12 átomos de carbono. Na base de cada cadeia está uma "capa" química que se liga covalentemente ao quartzo. A atração dessas tampas para o substrato alinha espontaneamente todas as cadeias de carbono em uma matriz ordenada de moléculas conhecidas como monocamada automontada (SAM). Na extremidade oposta de cada cadeia de carbono está um tipo diferente de tampa, um grupo tiol (enxofre e hidrogênio) que se liga fortemente aos metais ou um grupo metil (carbono e hidrogênio) que se liga fracamente.
"Em seguida, usamos um carimbo de silicone viscoelástico para 'transferir a impressão' de camadas de ouro para a superfície do SAM, "Losego explica." Esse processo é semelhante a transferir um decalque para uma camiseta onde o filme dourado é o 'decalque' preso ao 'suporte' do carimbo de silicone. Quando retiramos lentamente o silicone, deixamos a camada de ouro em cima do SAM. "
É a interface entre o filme de ouro e o SAM, Losego diz, onde o fluxo de calor em nanoescala é caracterizado. "Mudar os grupos químicos que estão em contato com a camada de ouro nos permite ver como diferentes ligações afetam a transferência de calor, " ele adiciona.
Combinado com uma técnica de laser ultrarrápida capaz de monitorar a queda de temperatura (ou perda de calor) com resolução de picossegundos (trilionésimo de segundo), os pesquisadores da UIUC são capazes de usar seu sistema experimental para avaliar o fluxo de calor em escala atômica. "Nós aquecemos a camada de ouro anexada à monocamada e podemos monitorar a queda da temperatura com o tempo, "Losego explica." Simultaneamente, observamos oscilações no filme de ouro que indicam a força das ligações na junção ouro-SAM. Usando essas medições, podemos verificar de forma independente que as ligações fortes [oscilações de decadência rápida] têm rápida transferência de calor, enquanto as ligações fracas [oscilações de decadência lenta] têm transferência de calor mais lenta. "
Os pesquisadores planejam refinar seu sistema de medição térmica em nanoescala e desenvolver cálculos teóricos para interpretar melhor os dados que produz.
