Ett växande intresse för termoelektriska material – som omvandlar spillvärme till elektricitet – och tryck för att förbättra värmeöverföringen från allt kraftfullare mikroelektroniska enheter har lett till förbättrad teoretisk och experimentell förståelse för hur värme transporteras genom material i nanometerskala.

Senare forskning har fokuserat på möjligheten att använda interferenseffekter i fononvågor för att styra värmetransport i material. Vågstörningar används redan för att styra elektroniska, fotoniska och akustiska enheter. Om ett liknande tillvägagångssätt kan användas inom termisk transport, som skulle kunna underlätta utvecklingen av mer effektiva termoelektriska och nanoelektroniska enheter, förbättrade termiska barriärbeläggningar, och nya material med ultralåg värmeledningsförmåga.

En framstegsartikel publicerad 23 juni i tidskriften Naturmaterial beskriver den senaste utvecklingen och förutsäger framtida framsteg inom fononvågsinterferens och termiska bandgapmaterial.

"Om du kan få värme att bete sig som en våg och ha störningar samtidigt som du kontrollerar hur långt den rör sig, du kan i princip kontrollera alla egenskaper bakom värmetransport, sa Martin Maldovan, en biträdande professor vid School of Chemical and Biomolecular Engineering och School of Physics vid Georgia Institute of Technology, och tidningens författare. "Det här skulle vara ett helt nytt sätt att förstå och manipulera värme."

I den klassiska definitionen, värme består av vibrationer i materialens atomgitter. Ju fler vibrationer i ett material struktur, desto varmare är materialet. Och på samma sätt som vitt ljus faktiskt består av många olika ljusfärger, dessa termiska fononer är uppbyggda av många olika frekvenser - var och en bär på olika mängder värme.

Den senaste utvecklingen har visat att termiska fononer kan störa sina egna reflektioner. Observationen antyder att termiska fononer måste existera som vågor som liknar elektroniska, fotoniska eller akustiska vågor. Denna interferens kan potentiellt användas för att modifiera hastigheten för fononer och tillståndstätheten, skapa energibandgap som är förbjudna för fononvågor. Användning av liknande bandgap i optiska och elektroniska material har varit nyckeln till att utveckla ett brett utbud av användbara enheter.

Tills nu, värmetransport i nanostrukturerade material har till stor del kontrollerats genom införande av föroreningar i atomär skala, gränssnitt, ytor och nanopartiklar som minskar värmeflödet genom att sprida fononerna diffust. Att kontrollera vågeffekter skulle kunna underlätta nya tillvägagångssätt som involverar spegelreflektion och överföring av termiska vibrationer vid gränssnitt.

"Med tanke på den anmärkningsvärda framgång som uppnås när man använder elektroniska, fotonisk och fononisk våginterferens för att manipulera elektroner, ljus och ljudvågor, det är verkligen värdefullt att utvidga dessa teorier till termiska vibrationer, därigenom skapa ett fundamentalt nytt tillvägagångssätt för att manipulera värmeflödet, " skrev Maldovan i tidningen.

Termoelektriska material fångar upp spillvärme från källor som bilavgaser eller industriella processer för att producera el. För att förbättra dessa material krävs ytterligare sänkning av värmeledningsförmågan för att förbättra deras effektivitet.

Å andra sidan, mikroelektronikdesigners vill öka värmeledningsförmågan för att överföra värme från kraftfulla och små enheter. Utvecklare av bränsleceller och andra omvandlingsanordningar behöver också förbättra kontrollen av värme.

Maldovan skrev artikeln för att klargöra frågor som är involverade i termisk transport, och att intressera andra på området. I sista hand, forskare kommer att använda denna nya information om värmetransport för att designa bättre material.

"Dessa nya vågfenomen kan användas för att skapa material med låg värmeledningsförmåga, " sa Maldovan. "Vi försöker skapa ett termiskt bandgap, men det är inte så lätt att göra."

Sökandet efter termiska fononiska vågmaterial kommer att fokusera på halvledare ungefär som de som används i mikroelektronik, sa Maldovan. Men medan kislet som används i mikroelektroniken hade ett naturligt bandgap, forskare var tvungna att skapa ett bandgap i fotonik och akustiska material, och detsamma gäller för termiska material. Sannolikt material inkluderar kisel-germanium, gallium- och aluminiumarsenid och vissa oxidsupergitter.

Forskare har under många år fokuserat på hur långt värme får transporteras i material. För framtiden, forskning kommer att ta upp hastigheten på den transporten, och hur mycket värme som flyttas under processen, Maldovan förutspådde. Han jämför värmetransport med en mer välbekant fråga – mänsklig transport.

"Om du vill flytta många människor, du behöver en buss som tar många människor, " sa han. "Du vill också ha ett fordon som kan röra sig snabbt för om du rör dig snabbare, du kan ta fler människor längre på kortare tid."

De närmaste åren bör medföra ett betydande klargörande angående vilken roll interferens och bandgap spelar i termiska material, Maldovan förutspådde. Det kommer att möjliggöra fortsatta framsteg i de material som behövs för termisk kontroll.

"Det är nu en väldigt cool sak att förstå värme, " han sa.