Vetenskaplig forskning har gett oss en grundläggande förståelse för hur ljus (via fotoner) och elektricitet (via elektroner) rör sig inom och mellan material på mikrometer- eller nanometernivåer, möjliggör en mängd olika miniatyrenheter som transistorer, optiska sensorer och mikroelektromekaniska system (MEMS). Dock, människans kunskap om värmeflöde i mikro- och nanoskala är i bästa fall rudimentär.
Nu, ett forskargrupp vid University of Illinois i Urbana-Champaign (UIUC) har utvecklat ett nytt system för att undersöka och mäta nanoskala termisk konduktans vid gränssnittet mellan två material. Med ytterligare förfining, forskarna tror att deras framsteg en dag kan tillhandahålla data för applikationer som skörd av el från spillvärme, bättre kylning av mikroelektroniska anordningar och "värmesökande" inriktning på sjukdomsceller genom hypertermal (över normal kroppstemperatur) terapi.
Teamets resultat presenteras av Mark Losego, tidigare en postdoktor vid UIUC och nu forskarassistent professor i kemisk och biomolekylär teknik vid North Carolina State University, under AVS 59:e internationella symposiet och utställningen, hölls 28 oktober-nov. 2, 2012, i Tampa, Fla.
På nanoskala, termiska egenskaper är resultatet av vibrationer mellan angränsande atomer. Bindningar mellan atomer bär dessa vibrationer som liknar en oscillerande fjäder. UIUC -teamet utvecklade en teknik för att studera effekterna av dessa bindningar på värmetransport över ett gränssnitt mellan två olika material. "Vi ville ha ett system där vi kunde observera, analysera och kvantifiera värmeflöde över ett gränssnitt med atomnivåprecision, "Säger Losego.
Systemet börjar med en substratbas av kvartskristall, på vilka forskarna placerar molekylkedjor som är 12 kolatomer långa. Vid basen av varje kedja finns ett kemiskt "lock" som kovalent binder till kvarts. Attraheringen av dessa lock till substratet anpassar spontant alla kolkedjor till en ordnad uppsättning molekyler som kallas ett självmonterat monoskikt (SAM). I motsatt ände av varje kolkedja finns en annan typ av keps, antingen en tiolgrupp (svavel och väte) som binder starkt till metaller eller en metylgrupp (kol och väte) som binder svagt.
"Vi använder sedan en viskoelastisk silikonstämpel för att" överföra tryck "guldlager till SAM -ytan, "Losego förklarar." Denna process liknar överföring av en dekal till en T-shirt där guldfilmen är "dekalen" fäst vid silikonstämpeln "backing". När vi långsamt skalar bort silikonet, vi lämnar guldskiktet ovanpå SAM. "
Det är i gränssnittet mellan guldfilmen och SAM, Losego säger, där nanoskala värmeflöde kännetecknas. "Genom att ändra de kemiska grupper som är i kontakt med guldskiktet kan vi se hur olika bindningar påverkar värmeöverföring, " han lägger till.
Kombinerat med en ultrasnabb laserteknik som kan övervaka temperaturförfall (eller värmeförlust) med upplösning av picosekund (biljondel av en sekund), UIUC -forskarna kan använda sitt experimentella system för att utvärdera värmeflöde i atomskala. "Vi värmer upp guldskiktet fäst på monoskiktet och kan övervaka temperaturförfall med tiden, "Losego förklarar." Samtidigt, vi observerar svängningar i guldfilmen som indikerar styrkan hos bindningarna vid guld-SAM-korsningen. Med hjälp av dessa mätningar kan vi oberoende verifiera att starka bindningar [snabbt sönderfallande oscillationer] har snabb värmeöverföring medan svaga bindningar [långsamt förfallna oscillationer] har långsammare värmeöverföring. "
Forskarna planerar att förfina sitt nanoskala termiska mätsystem och utveckla teoretiska beräkningar för att bättre tolka data som det producerar.
