En matematisk modell av värmeflöde genom miniatyrledningar kan hjälpa till att utveckla termoelektriska enheter som effektivt omvandlar värme – även sin egen spillvärme – till elektricitet.

Utvecklad på A*STAR, modellen beskriver rörelsen av vibrationer som kallas fononer, som ansvarar för att transportera värme i isoleringsmaterial. Fononer rör sig vanligtvis i raka linjer i nanotrådar - trådar som är knappt några atomer breda. Tidigare beräkningar antydde att om delar av en nanotråd innehöll slumpmässiga arrangemang av två olika typer av atomer, fononer skulle stoppas i sina spår. I faktiska legerade nanotrådar, fastän, atomer av samma element kan klunga ihop sig för att bilda korta sektioner som består av samma element.

Nu, Zhun-Yong Ong och Gang Zhang från A*STAR Institute of High Performance Computing i Singapore har beräknat effekterna av en sådan kortdistansordning på fononernas beteende. Deras resultat tyder på att värmeledning i en nanotråd inte bara beror på de relativa koncentrationerna av legeringsatomerna och skillnaden i deras massor; det beror också på hur atomerna är fördelade.

Deras modell simulerade en 88 mikrometer lång nanotråd innehållande 160, 000 atomer av två olika grundämnen. De fann att när nanotråden var mer ordnad – som innehöll kluster av samma element – ​​kämpade lågfrekventa fononer för att röra sig. I kontrast, högfrekventa fononer kunde resa mycket längre än medellängden för de ordnade områdena i legeringen. "Högfrekvensfononerna var mer mobila än vi föreställt oss, säger Ong.

Forskarna använde sin modell för att studera den termiska resistansen hos en nanotråd som innehåller en lika blandning av kisel- och germaniumatomer. Kortavståndsordning av atomerna tillät högfrekventa fononer att färdas fritt genom tråden, ger den ett relativt lågt termiskt motstånd. I kontrast, en slumpmässig fördelning av legeringsatomer resulterade i en högre resistans – över det tredubbla av det beställda fallet för en 2,5 mikrometer lång tråd. "Om denna störning kan realiseras i verkliga kompositmaterial kan vi skräddarsy systemets värmeledningsförmåga, säger Ong.

Att förstå det relativa bidraget från låg- och högfrekventa fononer till värmeledning kan också hjälpa forskare att ställa in de termiska egenskaperna hos nanotrådar i laboratoriet. "Till exempel, ytgrovningen av nanotrådar är känd för att reducera bidraget till värmeledningsförmågan från högfrekventa fononer, säger Ong.

Forskarna hoppas att deras modell kommer att hjälpa forskare att designa kompositmaterial med låg värmeledningsförmåga. En attraktiv applikation är termoelektriska enheter, förklarar Ong. "Eftersom dessa enheter är beroende av en termisk differential, en låg värmeledningsförmåga är önskvärt för optimal prestanda."