p Um interesse crescente em materiais termoelétricos - que convertem calor residual em eletricidade - e pressão para melhorar a transferência de calor de dispositivos microeletrônicos cada vez mais poderosos levaram a uma melhor compreensão teórica e experimental de como o calor é transportado através de materiais em escala nanométrica. p Pesquisas recentes têm se concentrado na possibilidade de usar efeitos de interferência nas ondas de fônons para controlar o transporte de calor nos materiais. A interferência de ondas já é usada para controlar eletrônicos, dispositivos fotônicos e acústicos. Se uma abordagem semelhante pode ser usada no transporte térmico, que poderia facilitar o desenvolvimento de dispositivos termoelétricos e nanoeletrônicos mais eficientes, revestimentos de barreira térmica aprimorados, e novos materiais com condutividade térmica ultrabaixa.

p Um artigo de progresso publicado em 23 de junho na revista Materiais da Natureza descreve desenvolvimentos recentes e prevê avanços futuros em materiais de interferência de ondas de fônons e bandgap térmico.

p "Se você pode fazer o calor se comportar como uma onda e ter interferência enquanto controla o quão longe ele se move, você pode basicamente controlar todas as propriedades por trás do transporte de calor, "disse Martin Maldovan, professor assistente na Escola de Engenharia Química e Biomolecular e na Escola de Física do Instituto de Tecnologia da Geórgia, e o autor do artigo. "Esta seria uma maneira completamente nova de entender e manipular o calor."

p Na definição clássica, o calor consiste em vibrações nas redes atômicas dos materiais. Quanto mais vibrações na estrutura de um material, mais quente o material. E da mesma forma que a luz branca é composta de muitas cores diferentes de luz, esses fônons térmicos são compostos de muitas frequências diferentes - cada uma carregando quantidades variáveis ​​de calor.

p Desenvolvimentos recentes mostraram que fônons térmicos podem interferir em seus próprios reflexos. A observação sugere que os fônons térmicos devem existir como ondas semelhantes às eletrônicas, ondas fotônicas ou acústicas. Essa interferência poderia ser usada para modificar a velocidade dos fônons e a densidade dos estados, criando bandgaps de energia que são proibidos para as ondas de fônon. A utilização de bandgaps semelhantes em materiais ópticos e eletrônicos tem sido a chave para o desenvolvimento de uma ampla gama de dispositivos úteis.

p Até agora, o transporte de calor em materiais nanoestruturados tem sido amplamente controlado pela introdução de impurezas em escala atômica, interfaces, superfícies e nanopartículas que reduzem o fluxo de calor ao espalhar os fônons de maneira difusa. O controle dos efeitos das ondas pode facilitar novas abordagens envolvendo a reflexão especular e a transmissão de vibrações térmicas nas interfaces.

p "Considerando o notável sucesso alcançado com o uso da eletrônica, interferência de ondas fotônicas e fonônicas para manipular elétrons, ondas de luz e som, certamente é valioso estender essas teorias às vibrações térmicas, criando assim uma abordagem fundamentalmente nova para manipular o fluxo de calor, "Maldovan escreveu no jornal.

p Os materiais termoelétricos capturam o calor residual de fontes como escapamentos de automóveis ou processos industriais para produzir eletricidade. A melhoria desses materiais exigirá uma redução ainda maior da condutividade térmica para melhorar sua eficiência.

p Por outro lado, os projetistas de microeletrônica desejam aumentar a condutividade térmica para transferir o calor de dispositivos poderosos e minúsculos. Os desenvolvedores de células de combustível e outros dispositivos de conversão também precisam melhorar o controle do calor.

p Maldovan escreveu o artigo para esclarecer questões envolvidas no transporte térmico, e para interessar outros no campo. Em última análise, os pesquisadores usarão essas novas informações sobre o transporte de calor para projetar materiais melhores.

p "Esses fenômenos de novas ondas podem ser usados ​​para criar materiais com baixa condutividade térmica, "disse Maldovan." Estamos tentando criar uma lacuna térmica, mas isso não é tão fácil de fazer. "

p A busca por materiais de ondas fonônicas térmicas se concentrará em semicondutores muito semelhantes aos usados ​​em microeletrônica, Maldovan disse. Mas, embora o silício usado na microeletrônica tenha uma folga natural, os cientistas tiveram que criar um gap em materiais fotônicos e acústicos, e o mesmo será verdadeiro para materiais térmicos. Materiais prováveis ​​incluem silício-germânio, arsenieto de gálio e alumínio e certas superredes de óxido.

p Por muitos anos, os pesquisadores se concentraram em até que ponto o calor pode ser transportado nos materiais. Para o futuro, a pesquisa abordará a velocidade desse transporte, e quanto calor é movido no processo, Maldovan previu. Ele compara o transporte de calor a uma questão mais familiar - o transporte humano.

p "Se você quiser mover muitas pessoas, você precisa de um ônibus que irá transportar muitas pessoas, "ele disse." Você também quer um veículo que possa se mover rapidamente, porque se você se mover mais rápido, você pode carregar mais pessoas em menos tempo. "

p Os próximos anos devem trazer esclarecimentos significativos sobre o papel da interferência e bandgaps em materiais térmicos, Maldovan previu. Isso permitirá um progresso contínuo nos materiais necessários para o controle térmico.

p "Agora é uma coisa muito legal entender o calor, " ele disse.