p Os pesquisadores, pela primeira vez, aplicaram uma teoria moderna de transporte de calor em experimentos com semicondutores usados ​​em computadores e lasers, com implicações para o projeto de dispositivos que convertem calor residual em eletricidade e o controle de superaquecimento em componentes eletrônicos miniaturizados e de alta velocidade. p Por mais de um século, o transporte de calor em sólidos foi descrito em termos do movimento caótico aleatório de "portadores de energia" semelhante a uma gota de leite se dispersando no café e transferindo gradualmente o calor das regiões mais quentes para as mais frias. Contudo, nas pequenas distâncias de alguns nanômetros, o movimento da energia térmica se comporta de maneira diferente e se assemelha à estrutura dos fractais, que são compostos de padrões que se repetem em escalas menores infinitamente.

p "Quando olhamos para o problema do transporte de calor, o que é surpreendente é que a teoria que usamos remonta a Fourier, que foi há 200 anos, e ele o desenvolveu para explicar como a temperatura da Terra muda, "disse Ali Shakouri, Mary Jo e Robert L. Kirk da Purdue University, Diretor do Birck Nanotechnology Center e professor de engenharia elétrica e de computação. "Contudo, ainda usamos a mesma teoria na menor escala de tamanho, digamos dezenas de nanômetros, e a escala de tempo mais rápida de centenas de picossegundos. "

p Uma equipe de Purdue e da Universidade da Califórnia, Santa Barbara, aplicou uma teoria baseada no trabalho do matemático Paul Lévy na década de 1930, em experimentos com o semicondutor índio gálio arseneto de alumínio, que é usado em transistores e lasers de alta velocidade.

p "O trabalho que fizemos é aplicar a teoria de Lévy pela primeira vez ao transporte de calor em trabalhos experimentais de materiais reais, "Shakouri disse.

p As descobertas serão apresentadas em dezembro durante a reunião de outono da Sociedade de Pesquisa de Materiais em Boston. As descobertas foram detalhadas em um artigo de pesquisa publicado em julho no jornal NanoLetters e apresentado como uma história de capa.

p A pesquisa mostrou que a inserção de nanopartículas feitas de liga de arsenieto de érbio reduz significativamente a condutividade térmica e dobra a eficiência termoelétrica do semicondutor. As aplicações potenciais incluem sistemas para coletar calor residual em veículos e usinas de energia.

p "Por exemplo, dois terços da energia gerada em um carro são desperdiçados como calor, "Shakouri disse." Mesmo nossas melhores usinas de energia desperdiçam metade ou dois terços de sua energia como calor, e esse calor poderia ser convertido em eletricidade com termoelétricas. "

p Dispositivos termoelétricos geram eletricidade a partir do calor, e seu desempenho depende de haver uma pronunciada diferença de temperatura - ou gradiente - de um lado do dispositivo para o outro. Ter menor condutividade térmica preserva um maior gradiente de temperatura, melhorando a performance

p As nanopartículas fazem com que a condutividade térmica do material caia três vezes sem alterar a dimensão fractal. Diz-se que os portadores de energia - quasipartículas chamadas fônons - passam por um movimento "quase-calístico", o que significa que eles são transportados sem colidir com muitas outras partículas, fazendo com que o calor conduza com "superdifusão". A abordagem imita o efeito de "óculos Lévy, "materiais que contêm esferas de vidro que alteram a difusão da luz que os atravessa. O mesmo princípio pode ser usado para projetar semicondutores que difundem o calor de maneira diferente dos materiais convencionais. Além da termoelétrica, a abordagem poderia ser usada para reduzir o aquecimento na eletrônica e melhorar o desempenho de dispositivos de alta velocidade e lasers de alta potência.