Usando um microscópio eletrônico ultrarrápido de última geração, Pesquisadores da Universidade de Minnesota gravaram os primeiros vídeos mostrando como o calor se move através de materiais em nanoescala viajando na velocidade do som.

A pesquisa, publicado hoje em Nature Communications , fornece uma visão sem precedentes sobre os papéis desempenhados por recursos individuais atômicos e em nanoescala que podem ajudar no design de melhores, materiais mais eficientes com uma ampla gama de usos, de eletrônicos pessoais a tecnologias de energia alternativa.

A energia na forma de calor impacta todas as tecnologias e é um fator importante no modo como os dispositivos eletrônicos e a infraestrutura pública são projetados e projetados. É também a maior forma de desperdício de energia em aplicações críticas, incluindo transmissão de energia e, especialmente, transporte, Onde, por exemplo, cerca de 70% da energia da gasolina é desperdiçada como calor nos motores de automóveis.

Cientistas e engenheiros de materiais passaram décadas pesquisando como controlar a energia térmica em nível atômico para reciclá-la e usá-la para aumentar drasticamente a eficiência e, por fim, reduzir o uso de combustíveis fósseis. Esse trabalho seria muito auxiliado por realmente observar o calor se movendo através dos materiais, mas capturar imagens dos processos físicos básicos no centro do movimento de energia térmica apresentou enormes desafios. Isso ocorre porque as escalas de comprimento fundamentais são nanômetros (um bilionésimo de um metro) e as velocidades podem ser de muitos quilômetros por segundo. Essas condições extremas tornaram a imagem desse processo onipresente extraordinariamente desafiador.

Para superar esses desafios e imaginar o movimento da energia térmica, os pesquisadores usaram um microscópio eletrônico ultrarrápido (UEM) FEI Tecnai Femto de ponta, capaz de examinar a dinâmica de materiais em escala atômica e molecular ao longo de intervalos de tempo medidos em femtossegundos (um milionésimo de um bilionésimo de segundo). Nesse trabalho, os pesquisadores usaram um breve pulso de laser para excitar elétrons e aquecer rapidamente materiais semicondutores cristalinos de disseleneto de tungstênio e germânio. Eles então capturaram vídeos em câmera lenta (desacelerados em mais de um bilhão de vezes a velocidade normal) das ondas resultantes de energia movendo-se através dos cristais.

"Assim que vimos as ondas, sabíamos que era uma observação extremamente emocionante, "disse o pesquisador principal David Flannigan, professor assistente de engenharia química e ciência dos materiais na Universidade de Minnesota. "Na verdade, assistir esse processo acontecer em nanoescala é um sonho que se tornou realidade."

Flannigan disse que o movimento do calor através do material se parece com ondulações em um lago depois que uma pedra é jogada na água. Os vídeos mostram ondas de energia movendo-se a cerca de 6 nanômetros (0,000000006 metros) por picossegundo (0,000000000001 segundo). Mapeando as oscilações de energia, chamados fônons, em nanoescala é fundamental para o desenvolvimento de uma compreensão detalhada dos fundamentos do movimento da energia térmica.

"Em muitas aplicações, cientistas e engenheiros querem entender o movimento da energia térmica, controlá-lo, colete-o, e orientá-lo com precisão para fazer um trabalho útil ou removê-lo muito rapidamente de componentes sensíveis, "Flannigan disse." Porque os comprimentos e os tempos são tão pequenos e tão rápidos, tem sido muito difícil entender em detalhes como isso ocorre em materiais que apresentam imperfeições, como essencialmente todos os materiais fazem. Literalmente, assistir esse processo acontecer ajudaria muito na construção de nosso entendimento, e agora podemos fazer exatamente isso. "