p Materiais termoelétricos, que pode converter direta e reversivelmente calor em energia elétrica, são usados ​​em uma variedade de aplicações, incluindo resfriamento de dispositivos eletrônicos e conversão de energia de calor residual. p Um desafio persistente associado aos materiais termoelétricos é a eficiência - se eles pudessem ser projetados para converter calor em eletricidade de forma mais eficiente, a porta seria aberta para uma ampla gama de aplicações práticas.

p Para torná-los mais eficientes, os materiais devem agir como um isolante térmico, enquanto eletronicamente se comportam como um condutor - uma característica raramente encontrada em materiais naturais.

p Um grupo de pesquisa liderado por Joe Feser, professor assistente do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Delaware, está investigando os limites do transporte de calor usando um conjunto de novas ferramentas para medição e simulação térmica em nanoescala, de olho na criação de materiais mais eficientes termoeletricamente.

p Uma estratégia comum empregada por seu grupo é o uso de nanopartículas para espalhar vibrações portadoras de calor, conhecidos como fônons. A equipe está desenvolvendo ferramentas para estudar a dispersão de fônons para que o tamanho, forma, e a composição das nanopartículas pode ser otimizada para aplicações termoelétricas.

p Feser e o estudante de doutorado Rohit Kakodkar relataram recentemente uma nova abordagem para esse problema em um artigo, "Uma estrutura para resolver problemas de dispersão de estrutura fônica atômica no domínio da frequência usando limites de camada perfeitamente combinados, " no Journal of Applied Physics .

p A nova estrutura reduz significativamente a quantidade de poder computacional necessária para simular o espalhamento de fônons e aumenta muito o tamanho máximo dos sistemas que podem ser estudados usando computadores.

p Feser explica que modelos de mecânica contínua - que, por uma questão de eficiência, ignore o fato de que a matéria é composta de átomos - são tradicionalmente usados ​​para explicar fenômenos como o espalhamento de fônons. Contudo, embora esta abordagem seja precisa o suficiente em escalas de comprimento maiores do que a distância entre os átomos, pode não ser eficaz na caracterização do comportamento de ondas de comprimento nanométrico, que geralmente são os comprimentos de onda envolvidos no transporte de calor.

p A solução óbvia é ter simulações que incluem uma equação para cada átomo individual e rastreiam o comportamento por um longo período de tempo, mas é aí que ocorre o impasse computacional. As técnicas tradicionais, como a dinâmica molecular, são muito lentas para simular o espalhamento para cada vibração portadora de calor separadamente, e outras técnicas existentes são limitadas em sua capacidade de simular grandes sistemas.

p O modelo atomístico desenvolvido por Feser e Kakodkar pode resolver um grande número de átomos por vez. "Basicamente, o que fizemos foi remover a física desnecessária e incorporar fatos que já conhecemos sobre as soluções no procedimento de solução, "Feser diz.

p Outro uso importante para a nova ferramenta é que ela permitiu aos pesquisadores resolver controvérsias de longa data sobre como descrever a física dos fônons que encontram interfaces, ou seja, se eles viajam coerentemente ou se espalham difusamente - e especialmente como a desordem muda isso. A estrutura também tem a vantagem de poder ser ampliada para uso com supercomputadores, que estão vendo um uso crescente para simulações complexas.

p Em última análise, o objetivo é ter controle preciso sobre o design de novos materiais no nível de seus componentes mais ínfimos.

p "O design de novos materiais que ultrapassam os limites das propriedades de transporte alcançáveis, ou seja, condutividade térmica, condutância da interface, capacidade de calor, e fator de energia termoelétrica - permitirá o desenvolvimento de novas tecnologias de dispositivos com base nesses materiais, "Feser diz.