(Phys.org) – Forskare föreslår en ny teknik som kan styra värmeflödet på samma sätt som elektroniska enheter styr elektrisk ström, ett framsteg som kan ha tillämpningar inom en mängd olika områden från elektronik till textil.

Konceptet använder små triangulära strukturer för att styra "fononer, "kvantmekaniska fenomen som beskriver hur vibrationer färdas genom ett materials kristallstruktur.

Fynd i forskning som använder avancerade simuleringar visar att de triangulära eller T-formade strukturerna - om de är tillräckligt små i bredd - är kapabla till "termisk likriktning, "eller tillåter ett större värmeflöde i en riktning än i motsatt riktning, sa Xiulin Ruan, en docent vid Purdue Universitys School of Mechanical Engineering och Birck Nanotechnology Center.

Likriktning har möjliggjort transistorer, dioder och minneskretsar centrala för halvledarindustrin. De nya enheterna är termiska likriktare som kan utföra samma funktion, men med fononer istället för elektrisk ström.

"I de flesta system, värmeflödet är lika i båda riktningarna, så det finns inga termiska enheter som elektriska dioder. Dock, om vi kan styra värmeflödet på samma sätt som vi styr elektricitet med hjälp av dioder så kan vi aktivera många nya och spännande termiska enheter inklusive termiska switchar, termiska transistorer, logiska grindar och minne, sa Ruan, vars forskargrupp samarbetade med en grupp ledd av Yong Chen, en docent vid Purdues institution för fysik och School of Electrical and Computer Engineering. "Folk har precis börjat förstå hur det fungerar, och det är ganska långt ifrån att användas i applikationer."

Resultaten beskrivs i en forskningsartikel som har dykt upp online i tidskriften Nanobokstäver och kommer att publiceras i ett kommande nummer av tidskriften. Uppsatsen skrevs av doktoranderna Yan Wang, Ajit Vallabhaneni och Jiuning Hu och tidigare doktoranden Bo Qiu; Chen; och Ruan.

Forskarna använde en avancerad simuleringsmetod som kallas molekylär dynamik för att demonstrera termisk likriktning i strukturer som kallas "asymmetriska grafen-nanorband". Molekyldynamiksimuleringar kan simulera atomers vibrationer och förutsäga värmeflödet i ett material.

grafen, ett extremt tunt lager av kol, är lovande för tillämpningar inom elektronik och datorer. Den triangulära strukturen måste vara liten i bredd för att möjliggöra den "laterala inneslutningen" av fononer som behövs för effekten. Fynden visar också att termisk likriktning inte är begränsad till grafen utan kan ses i andra material i strukturer som pyramidformade, trapetsformade eller T-formade mönster.

Hu, Ruan, och Chen publicerade också en artikel för fyra år sedan i tidskriften Nanobokstäver , bland de första som föreslog asymmetriska grafen-nanorband som en termisk likriktare i forskning med hjälp av simuleringar av molekylär dynamik. Även om många studier har ägnats åt detta ämne sedan dess, hittills visste forskarna inte mekanismen bakom termisk korrigering. De nya rönen visar att denna mekanism fungerar genom att begränsa vibrationer när de färdas genom den lilla laterala riktningen av en asymmetrisk struktur.

"Vi visar att andra asymmetriska material, såsom asymmetriska nanotrådar, tunna filmer, och kvantprickar av ett enda material kan också vara högpresterande termiska likriktare, så länge du är instängd i sidled, "Sa Ruan. "Detta breddar verkligen potentialen för denna korrigering till ett mycket bredare spektrum av tillämpningar."

Termisk likriktning ses inte i större triangulära strukturer eftersom de saknar lateral inneslutning. För att lateral inneslutning ska kunna produceras, strukturens tvärsnitt måste vara mycket mindre än den "medelfria vägen" för en fonon, eller bara några till hundratals nanometer beroende på material, sa Wang.

"Detta är den genomsnittliga sträckan en fonon kan resa innan den kolliderar med en annan fonon, " han sa.

Dock, även om enheterna måste vara små, de skulle kunna kopplas i serie för att producera större strukturer och bättre korrigeringsprestanda.

Konceptet kan hitta användningsområden i "thermal management"-applikationer för datorer och elektronik, byggnader och till och med kläder.

"Till exempel, en vinternatt vill du inte att en byggnad ska tappa värme snabbt till utsidan, medan du under dagen vill att byggnaden ska värmas upp av solen, så det skulle vara bra att ha byggmaterial som tillåter värmeflöde i en riktning, men inte den andra, sa Ruan.

En potential, även om det är spekulativt, framtida tillämpning kan vara termiska transistorer. Till skillnad från konventionella transistorer, termiska transistorer skulle inte kräva användning av kisel, är baserade på fononer snarare än elektroner och kan utnyttja den stora mängd spillvärme som redan genereras i den mesta praktiska elektroniken, sa Chen.