(PhysOrg.com)-Ett tvåårigt Air Force Office of Scientific Research Multidisciplinary University Research Initiative-insatser som involverar University of Michigan, Stanford University, Brown University, och University of California i Santa Cruz gör stora framsteg när det gäller att uppnå en grundläggande förståelse för värmeöverföring vid gränssnitt.

"Vi strävar efter att uppnå detta genom att tillämpa toppmoderna tekniker från flera discipliner för att komma fram till en uppsättning designregler för tekniska gränssnitt med önskade termiska egenskaper, "sa Dr Kevin Pipe, en professor i maskinteknik vid University of Michigan som leder projektet.

Värmeöverföring är viktig för prestanda, Kraftbehov, och tillförlitlighet för många militära och kommersiella system inklusive termoelektriska kylskåp, system för återvinning av spillvärme, värme sjunker, kraftelektronik, termiska barriärbeläggningar, och termiskt gränssnittsmaterial.

"De senaste framstegen inom nanovetenskap har möjliggjort exakt kontroll av gränssnittets fysiska och kemiska struktur, men den grundläggande fysiken som förbinder denna nanoskala struktur med värmetransport är ännu inte väl utvecklad, förhindrar konstruktion av gränssnitt med radikalt förbättrade termiska egenskaper, sa Pipe.

Gränssnitt kan minska ett kompositmaterials värmeledningsförmåga genom att sprida de akustiska vågorna som är de primära värmebärarna i fasta ämnen.

"Denna spridningsprocess ger varje gränssnitt ett termiskt motstånd, sa Pipe.

Forskarna har gjort ett antal prestationer under de två första åren av sitt forskningsarbete, inklusive utveckling av ett höghastighets termiskt avbildningssystem och en teknik för att mäta utbredning av fononer, elementpaketen av vibrationsenergi som bär värme, med hög signal / brusförhållande. Genom att använda ultrasnabba lasersystem som avger laserpulser som är kortare än 50 femtosekunder, Pipes team skapar högfrekventa akustiska vågor på ytan av ett material och i en process som liknar medicinsk ultraljudsavbildning mäter hur dessa vågor sprider sig från begravda gränssnittsstrukturer.

"I en av våra mätningar, sa Pipe, "vi använder röntgenpulser för picosekunder för att titta direkt på atomrörelse nära ett gränssnitt när värme strömmar över det."

Genom att tillämpa exakta nanofabriceringstekniker för att skapa gränssnitt med känd atomstruktur, forskarna kan koppla uppmätta värmeöverföringsegenskaper till förutsägelserna för atomistiska simuleringar för att ge ytterligare förståelse för de inblandade grundläggande processerna.

"Genom att avancera den senaste tekniken i dessa tekniker, vi strävar efter att fullt ut karakterisera ett gränssnitt och uppnå en fullständig förståelse för vad som styr värmeflödet över det, sa Pipe.

"Michigan MURI under ledning av professor Kevin Pipe gör extraordinära genombrott för att förstå nanoskala termotransport genom att exakt anpassa gränssnitt med hjälp av avancerade behandlingstekniker och innovativa experimentella laserbaserade metoder för att avgränsa fononlägen som deltar i värmetransporten, "sa Dr Kumar V. Jata, Termiska vetenskaper, AFOSR, Arlington, Va. Och materialvetenskap, Asian Office of Aerospace Research and Development, Tokyo, Japan. "Tidigare uppmärksammade vi aldrig gränssnitten och betraktade dem som antingen perfekta eller ofullkomliga, ena eller andra."