Nya rön har löst ett långvarigt hinder i forskning för att förstå effekterna av värmeledning i fasta material, en kritisk fråga i många applikationer, från energiomvandling till elektronikkylning.

Upptäckten kan hjälpa ansträngningar att förbättra en mängd tekniker inklusive termoelektriska enheter, som förvandlar värme till elektricitet; termiska barriärbeläggningar såsom de som används för att skydda turbinmotorblad från extrem uppvärmning; kylflänsar för elektronikkylning; kärnbränslen; och forskning om värmeöverföring i fast tillstånd i allmänhet.

Forskningen berör den avgörande rollen för "fononer, " kvantmekaniska fenomen som beskriver hur vibrationer färdas genom ett materials kristallstruktur. Fononerna samverkar, ibland kombineras och delas upp i nya fononer, ändra riktning och beteende.

Denna "spridning" är grundläggande för hur ett material leder värme. Tills nu, forskare har kunnat realistiskt modellera endast interaktionerna mellan tre fononer. I nya rön, dock, forskare från Purdue University och Oak Ridge National Laboratory har visat hur man exakt modellerar interaktionerna mellan fyra fononer och deras effekt på värmeflödet.

"Att kunna förutsäga spridning av fyra fononer har varit en decennier lång utmaning, sa Xiulin Ruan, en Purdue-professor i maskinteknik.

Fyra fononinteraktioner har länge ignorerats, delvis för att de ansågs vara försumbara och forskare inte visste hur de skulle modellera dem.

"Nu har vi tydligt visat vikten av spridning av fyra fononer, " han sa.

Resultaten beskrevs i ett papper som publicerades online i oktober i tidskriften Fysisk granskning B . Det lyftes fram som ett "Rapid Communications" papper, eftersom resultaten är särskilt lägliga och relevanta. Tidningen var medförfattare av den tidigare Purdue doktoranden Tianli Feng, som nu är postdoktor vid Vanderbilt University och Oak Ridge National Laboratory; Oak Ridge-forskaren Lucas Lindsay; och Ruan.

Tills nu, simulering av fyra-fononspridning har krävt 10, 000 gånger beräkningsresurserna som tre-fononspridning, vilket gör det omöjligt att utföra teoretiska kvalitetsförutsägelser. Dock, Purdue-teamet har utvecklat en ny metod för att utföra de teoretiska beräkningarna och optimerat simuleringen av fyrfononsspridning, minska de beräkningsresurser som behövs.

"Det är en ny fysisk bild, Feng sa. "Mekanismen för spridning av fyra fononer var redan känd, men ingen visste hur man gör de teoretiska förutsägelserna eller hur man bedömer dess betydelse, vilket är vad vi har uppnått."

Att kunna införliva fyra-fonondata i beräkningar kommer att hjälpa forskare att utveckla nya material. Material som har ultrahög värmeledningsförmåga är idealiska för kylflänsar, medan de med låg värmeledningsförmåga är lämpade för termoelektriska applikationer och termiska barriärbeläggningar.

De nya rönen visar att endast användning av tre-fononspridning i beräkningar ger resultat som överskattar prestandan hos vissa material samtidigt som prestandan hos andra underskattas.

"Det rigorösa ramverket som utvecklats av forskargruppen för att inkludera spridning av fyra fononer är nytt och av betydande vetenskaplig betydelse, sa Alan McGaughey, professor i maskinteknik vid Carnegie Mellon University. "Deras resultat kastar viktigt ljus över tidigare teoretiska förutsägelser och experimentella mätningar, och kommer att hjälpa till att vägleda utvecklingen av nya material för ett brett spektrum av applikationer. Särskilt anmärkningsvärt är potentialen att sätta gränser för hur hög eller låg värmeledningsförmåga kan vara över en rad temperaturer."

Forskare utvecklar alternativ till diamant för applikationer som kylflänsar för elektronikkylning. Ett sådant potentiellt alternativ, kallas zink-blandning borarsenider, har i teoretiska beräkningar visat sig konkurrera med diamant i termisk konduktivitet.

Dock, nya rön med spridning av fyra fononer visar att tidigare förutsägelser överskattade materialets potential med över 50 procent vid rumstemperatur och ännu mer vid högre temperaturer. Under tiden, Tidigare teoretiska förutsägelser visade sig underskatta potentialen hos kiselbaserade material för termoelektriska tillämpningar vid höga temperaturer.

"Vad vi visar här är att den teoretiska övre gränsen inte är så hög som man tidigare trott för zink-blandning borarsenid, " sa Lindsay. "Men, dess förutspådda konduktivitet är fortfarande mycket högre än de flesta material, och det är fortfarande ett lovande system."

Forskningen, vilket har varit helt teoretiskt, kan förklara den tidigare diskrepansen mellan förutspådd och experimentell värmeledningsförmåga hos kisel vid hög temperatur. Det kommer att utökas till att omfatta fler laboratorieexperiment.