Aquecendo:melhorando a modelagem do fluxo de calor

Fig. 1:Estrutura do fluxo de calor bidimensional em uma interface sólido-líquido onde o gradiente de temperatura está na direção z, sob (a,b) condições de molhabilidade ruins ou (c,d) boas. As condições de simulação são diferentes dos resultados no artigo. Crédito:Kunio Fujiwara e Masahiko Shibahara

Cientistas da Universidade de Osaka simularam o transporte de calor nas menores escalas usando uma simulação computacional de dinâmica molecular. Ao estudar os movimentos das partículas individuais que compõem a fronteira entre um sólido e um líquido, eles foram capazes de calcular o fluxo de calor com precisão sem precedentes. Este trabalho pode levar a melhorias significativas em nossa capacidade de fabricar dispositivos em nanoescala, bem como superfícies funcionais e dispositivos nanofluídicos.
O processo pelo qual o calor é transferido no ponto em que um sólido encontra um líquido pode parecer um simples problema de física. Tradicionalmente, quantidades macroscópicas – como densidade, pressão, temperatura e capacidade de calor – eram usadas para calcular a taxa na qual a energia térmica se move entre os materiais. No entanto, contabilizar adequadamente o movimento de moléculas individuais, observando as leis de conservação de energia e momento, adiciona uma grande complexidade. Simulações de computador em escala atômica aprimoradas seriam inestimáveis para entender com mais precisão uma ampla gama de aplicações do mundo real, especialmente no campo da nanotecnologia.

Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Osaka desenvolveu uma nova técnica numérica para visualizar um fluxo de calor modelado em escala atômica pela primeira vez. “Para entender fundamentalmente o transporte térmico através de uma interface sólido-líquido, as propriedades de transporte de átomos e moléculas devem ser consideradas”, explica o primeiro autor do estudo, Kunio Fujiwara. "Nós modelamos o fluxo de calor perto de uma região de interface sólido-líquido com resolução espacial subatômica usando simulações clássicas de dinâmica molecular. Isso nos permitiu criar imagens da estrutura tridimensional do fluxo de energia enquanto o calor estava sendo transferido entre as camadas ."

Fig. 2:Estrutura do fluxo de calor tridimensional em uma interface sólido-líquido em locais z especificados sob (a,b) condições de molhabilidade ruins ou (c,d) boas. As condições de simulação são diferentes dos resultados no artigo. Crédito:Kunio Fujiwara e Masahiko Shibahara

Usando o popular potencial de Lennard-Jones para calcular as interações entre átomos adjacentes, a equipe descobriu que a direção do fluxo de calor depende fortemente das tensões subatômicas nas estruturas dos sólidos ou líquidos.

“Antes, não havia uma boa maneira de visualizar o fluxo de calor em escala atômica”, diz o autor sênior Masahiko Shibahara. "Essas descobertas devem nos permitir elucidar e modificar o transporte térmico com base na configuração do fluxo de calor 3D."

Isso pode permitir que a fabricação personalizada em nanoescala seja realizada com mais eficiência. + Explorar mais