(Phys.org) —Os pesquisadores estão propondo uma nova tecnologia que pode controlar o fluxo de calor da mesma forma que os dispositivos eletrônicos controlam a corrente elétrica, um avanço que poderia ter aplicações em uma ampla gama de campos, da eletrônica aos têxteis.

O conceito usa pequenas estruturas triangulares para controlar "fônons, "fenômenos da mecânica quântica que descrevem como as vibrações viajam pela estrutura cristalina de um material.

Os resultados da pesquisa usando simulações avançadas mostram que as estruturas triangulares ou em forma de T - se pequenas o suficiente em largura - são capazes de "retificação térmica, "ou permitindo um maior fluxo de calor em uma direção do que na direção oposta, disse Xiulin Ruan, professor associado da Escola de Engenharia Mecânica da Universidade Purdue e do Centro de Nanotecnologia Birck.

A retificação tornou possíveis os transistores, diodos e circuitos de memória essenciais para a indústria de semicondutores. Os novos dispositivos são retificadores térmicos que podem desempenhar a mesma função, mas com fônons em vez de corrente elétrica.

"Na maioria dos sistemas, o fluxo de calor é igual em ambas as direções, portanto, não há dispositivos térmicos como diodos elétricos. Contudo, se somos capazes de controlar o fluxo de calor como controlamos a eletricidade usando diodos, então podemos habilitar muitos dispositivos térmicos novos e interessantes, incluindo interruptores térmicos, transistores térmicos, portas lógicas e memória, "disse Ruan, cujo grupo de pesquisa colaborou com um grupo liderado por Yong Chen, professor associado do Departamento de Física e da Escola de Engenharia Elétrica e de Computação de Purdue. "As pessoas estão apenas começando a entender como funciona, e está muito longe de ser usado em aplicativos. "

As descobertas são detalhadas em um artigo de pesquisa que apareceu online no jornal Nano Letras e será publicado em uma próxima edição da revista. O artigo foi escrito por estudantes de doutorado Yan Wang, Ajit Vallabhaneni e Jiuning Hu e o ex-aluno de doutorado Bo Qiu; Chen; e Ruan.

Os pesquisadores usaram um método de simulação avançado chamado dinâmica molecular para demonstrar a retificação térmica em estruturas chamadas de "nanofitas de grafeno assimétricas". Simulações de dinâmica molecular podem simular as vibrações de átomos e prever o fluxo de calor em um material.

Grafeno, uma camada extremamente fina de carbono, é promissor para aplicações em eletrônica e computadores. A estrutura triangular deve ser minúscula em largura para possibilitar o "confinamento lateral" dos fônons necessários ao efeito. Os resultados também mostram que a retificação térmica não se limita ao grafeno, mas pode ser vista em outros materiais em estruturas como piramidal, designs trapezoidais ou em forma de T.

Hu, Ruan, e Chen também publicou um artigo há quatro anos no jornal Nano Letras , entre os primeiros a propor nanofitas de grafeno assimétricas como retificador térmico em pesquisas utilizando simulações de dinâmica molecular. Embora vários estudos tenham sido dedicados a este tópico desde então, até agora, os pesquisadores não conheciam o mecanismo por trás da retificação térmica. As novas descobertas mostram que este mecanismo funciona restringindo as vibrações à medida que se deslocam através da pequena direção lateral de uma estrutura assimétrica.

"Demonstramos que outros materiais assimétricos, como nanofios assimétricos, filmes finos, e os pontos quânticos de um único material também podem ser retificadores térmicos de alto desempenho, contanto que você tenha confinamento lateral, "Ruan disse." Isso realmente amplia o potencial desta retificação para um espectro muito mais amplo de aplicações. "

A retificação térmica não é vista em estruturas de formato triangular maiores porque não possuem confinamento lateral. Para que o confinamento lateral seja produzido, a seção transversal da estrutura deve ser muito menor do que o "caminho livre médio" de um fônon, ou apenas alguns a centenas de nanômetros, dependendo do material, Disse Wang.

"Esta é a distância média que um fônon pode percorrer antes de colidir com outro fônon, " ele disse.

Contudo, embora os dispositivos devam ser pequenos, eles poderiam ser ligados em série para produzir estruturas maiores e melhor desempenho de retificação.

O conceito pode encontrar usos em aplicativos de "gerenciamento térmico" para computadores e eletrônicos, edifícios e até roupas.

"Por exemplo, em uma noite de inverno, você não quer que um edifício perca calor rapidamente para o exterior, enquanto durante o dia você quer que o prédio seja aquecido pelo sol, então seria bom ter materiais de construção que permitissem o fluxo de calor em uma direção, mas não o outro, "Ruan disse.

Um potencial, embora especulativo, aplicação futura poderia ser transistores térmicos. Ao contrário dos transistores convencionais, transistores térmicos não exigiriam o uso de silício, são baseados em fônons em vez de elétrons e podem fazer uso da grande quantidade de calor residual que já é gerado na maioria dos aparelhos eletrônicos práticos, disse Chen.