Genom en kombination av atomskala materialdesign och ultrasnabba mätningar, forskare vid University of Illinois har avslöjat nya insikter om hur värme strömmar över ett gränssnitt mellan två material.

Forskarna visade att ett enda lager av atomer kan störa eller förbättra värmeflödet över ett gränssnitt. Deras resultat publiceras i veckan i Nature Materials.

Förbättrad kontroll av värmeväxling är en nyckelelement för att förbättra prestandan för nuvarande teknik som integrerade kretsar och förbränningsmotorer samt nya tekniker som termoelektriska enheter, som skördar förnybar energi från spillvärme. Dock, uppnå kontroll försvåras av en ofullständig förståelse för hur värme leds genom och mellan material.

"Värme passerar genom elektriskt isolerande material via 'fononer, 'som är kollektiva vibrationer av atomer som rör sig som vågor genom ett material, "sa David Cahill, en Willettprofessor och chef för materialvetenskap och teknik vid Illinois och medförfattare av tidningen. "Jämfört med vår kunskap om hur el och ljus färdas genom material, forskares kunskap om värmeflöde är ganska rudimentär. "

En anledning till att sådan kunskap förblir svårfångad är svårigheten att noggrant mäta temperaturer, särskilt i små längder och över korta tidsperioder-parametrarna som många mikro- och nano-enheter fungerar under.

Under det senaste decenniet har Cahills grupp har förfinat en mätteknik med mycket korta laserpulser, varar bara en biljonedel av en sekund, att mäta värmeflödet exakt med nanometer-djupupplösning. Cahill samarbetade med Paul Braun, Racheff -professor i materialvetenskap och teknik vid U. av I. och ledande inom syntes av nanoskala material, att tillämpa tekniken för att förstå hur atomskala funktioner påverkar värmetransporten.

"Dessa experiment använde en" molekylär smörgås "som tillät oss att manipulera och studera den effekt som kemi vid gränssnittet har på värmeflödet, i atomskala, Sa Braun.

Forskarna monterade sin molekylära smörgås genom att först avsätta ett enda lager av molekyler på en kvartsyta. Nästa, genom en teknik som kallas transfer-printing, de placerade en mycket tunn guldfilm ovanpå dessa molekyler. Sedan applicerade de en värmepuls på guldskiktet och mätte hur det färdades genom mackan till kvarts i botten.

Genom att justera just sammansättningen av molekylerna i kontakt med guldskiktet, gruppen observerade en förändring i värmeöverföring beroende på hur starkt molekylen band till guldet. De visade att starkare bindning gav en tvåfaldig ökning av värmeflödet.

"Denna variation i värmeflöde kan vara mycket större i andra system, "sa Mark Losego, som ledde denna forskningsinsats som postdoktor vid Illinois och är nu forskningsprofessor vid North Carolina State University. "Om vibrationslägena för de två fasta ämnena var mer lika, vi kan förvänta oss ändringar upp till en faktor 10 eller mer. "

Forskarna använde också sin förmåga att systematiskt justera gränssnittskemin för att ringa in ett värmeflödesvärde mellan de två ytterligheterna, verifiera möjligheten att använda denna kunskap för att designa materialsystem med önskade termiska transportegenskaper.

"Vi har i princip visat att byte av ett enda lager av atomer vid gränssnittet mellan två material påverkar värmeflödet över gränssnittet, sa Losego.

Vetenskapligt, detta arbete öppnar nya forskningsvägar. Illinois -gruppen arbetar redan mot en djupare grundläggande förståelse för värmeöverföring genom att förfina mätmetoder för att kvantifiera styvhet i gränssnittsbindning, samt undersöka temperaturberoende, vilket kommer att avslöja en bättre grundläggande bild av hur förändringarna i gränssnittskemin stör eller förbättrar värmeflödet över gränssnittet.

"Under många år, de fysiska modellerna för värmeflöde mellan två material har ignorerat atomnivåegenskaperna i ett gränssnitt, "Sa Cahill." Nu måste dessa teorier förädlas. De experimentella metoder som utvecklats här kommer att hjälpa till att kvantifiera i vilken utsträckning gränssnittsstrukturella egenskaper bidrar till värmeflöde och kommer att användas för att validera dessa nya teorier. "

Braun och Cahill är anslutna till Frederick Seitz Materials Research Laboratory vid U. I. Braun är också ansluten till institutionen för kemi och Beckman Institute for Advanced Science and Technology. Air Force Office of Scientific Research stödde detta arbete.