Os pesquisadores do MIT descobriram que o calor que se move em materiais chamados superredes se comporta como ondas; descoberta poderia permitir melhores termelétricas.

Dispositivos termoelétricos, que pode aproveitar as diferenças de temperatura para produzir eletricidade, pode se tornar mais eficiente graças a novas pesquisas sobre a propagação de calor por meio de estruturas chamadas superredes. As novas descobertas mostram, inesperadamente, que o calor pode viajar como ondas, ao invés de partículas, através dessas nanoestruturas:materiais feitos de camadas com apenas alguns bilionésimos de um metro de espessura.

Calor - a vibração de átomos e moléculas em um material - geralmente viaja em um "passeio aleatório, "que é difícil de controlar. As novas observações mostram um padrão muito diferente, chamado de fluxo coerente, que é mais como ondulações que se movem através de um lago de forma ordenada.

Isso abre a possibilidade de novos materiais nos quais o fluxo de calor pode ser precisamente ajustado - materiais que podem ter aplicações importantes. Por exemplo, essa pesquisa pode levar a novas maneiras de liberar o calor gerado por dispositivos eletrônicos e lasers semicondutores, o que prejudica o desempenho e pode até destruir os dispositivos.

O novo trabalho, pela estudante de graduação Maria Luckyanova, pós-doutorado Jivtesh Garg e professor Gang Chen, todo o Departamento de Engenharia Mecânica do MIT - junto com outros alunos e professores do MIT, Universidade de Boston, o Instituto de Tecnologia da Califórnia e o Boston College - é relatado esta semana no jornal Ciência .

O estudo envolve um material nanoestruturado denominado superrede:neste caso, uma pilha de finas camadas alternadas de arsenieto de gálio e arsenieto de alumínio, cada um deles depositado por um processo denominado deposição de vapor químico orgânico-metálico. Os produtos químicos que contêm esses elementos são vaporizados no vácuo, e então depositado em uma superfície, suas espessuras controladas com precisão durante o processo de deposição. As camadas resultantes tinham apenas 12 nanômetros de espessura - aproximadamente a espessura de uma molécula de DNA - e as estruturas inteiras variaram em espessura de 24 a 216 nanômetros.

Os pesquisadores já haviam acreditado que, embora essas camadas pudessem ser atomicamente perfeitas, ainda haveria rugosidade suficiente nas interfaces entre as camadas para espalhar quase-partículas transportadoras de calor, chamados fônons, conforme eles se moviam pela superrede. Em um material com muitas camadas, tais efeitos de dispersão se acumulariam, foi pensado, e "destruir o efeito de onda" dos fônons, diz Chen, o Professor Carl Richard Soderberg de Engenharia de Energia. Mas essa suposição nunca foi provada, então ele e seus colegas decidiram reexaminar o processo, ele diz.

De fato, experimentos de Luckyanova e simulações de computador por Garg mostraram que, embora esse espalhamento aleatório de fase ocorra entre fônons de alta frequência, os efeitos das ondas foram preservados entre os fônons de baixa frequência. Chen diz que ficou muito surpreso quando Luckyanova voltou com os primeiros dados experimentais para mostrar "que a condução coerente de calor está realmente acontecendo".

Compreender os fatores que controlam essa coerência poderia, por sua vez, levar a melhores maneiras de quebrar essa coerência e reduzir a condução de calor, Chen diz. Isso seria desejável em dispositivos termoelétricos para aproveitar a energia térmica não utilizada em tudo, desde centrais elétricas a eletrônicos. Essas aplicações requerem materiais que conduzem eletricidade muito bem, mas conduzem muito mal o calor.

O trabalho também pode melhorar a liberação de calor, como para o resfriamento de chips de computador. A capacidade de enfocar e direcionar o fluxo de calor pode levar a um melhor gerenciamento térmico para tais dispositivos. Chen diz que os pesquisadores ainda não sabem como exercer um controle tão preciso, mas o novo entendimento pode ajudar. Entender esse mecanismo baseado em ondas "oferece mais maneiras de manipular o transporte" de calor, ele diz.

Os dois materiais usados ​​neste experimento têm propriedades muito semelhantes, Luckyanova diz, e conduza muito bem a eletricidade. Mas, controlando a espessura e o espaçamento das camadas, ela diz, “acreditamos que podemos manipular o transporte térmico, "produzindo o tipo de efeito isolante necessário para dispositivos termoelétricos.

O papel das interfaces entre as camadas de um material "é algo que realmente não foi compreendido, "Garg diz. Simulações anteriores não incluíram os efeitos da variação na textura da superfície no processo, ele diz, mas "percebi que havia uma maneira de simular o papel da aspereza" na maneira como os fônons se moviam através da pilha de camadas.

O novo trabalho não só fornece a possibilidade de controlar o fluxo de calor (principalmente transportado por fônons com comprimentos de onda curtos), mas também para controlar o movimento das ondas sonoras (principalmente transportadas por fônons de comprimento de onda mais longo). "É realmente uma espécie de compreensão fundamental, "Chen diz.

Os insights que tornaram o trabalho possível surgiram em grande parte por meio de interações entre pesquisadores de diferentes disciplinas, facilitado através do Centro de Conversão de Energia Solar Térmica de Estado Sólido, um Centro de Fronteira de Energia financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, que realiza reuniões interdisciplinares regulares no MIT. "Essas reuniões duraram muito tempo, discussões frutíferas que realmente fortaleceram o jornal, "Luckyanova diz. A variedade de pessoas no grupo" realmente nos encorajou a atacar esse problema de todos os lados. "