Med hjälp av ett toppmodern ultrasnabbt elektronmikroskop, Forskare vid University of Minnesota har spelat in de första filmerna som visar hur värmen rör sig genom material på nanoskala som reser med ljudets hastighet.

Forskningen, publicerad idag i Naturkommunikation , ger oöverträffad inblick i roller som spelas av enskilda atom- och nanoskala funktioner som kan hjälpa till med utformningen av bättre, mer effektiva material med en mängd olika användningsområden, från personlig elektronik till alternativ energiteknik.

Energi i form av värme påverkar all teknik och är en viktig faktor för hur elektroniska enheter och offentlig infrastruktur är utformade och konstruerade. Det är också den största formen av avfallsenergi i kritiska applikationer, inklusive kraftöverföring och särskilt transport, var, till exempel, ungefär 70 procent av energin i bensin går till spillo som värme i bilmotorer.

Materialforskare och ingenjörer har ägnat årtionden åt att undersöka hur man kan kontrollera värmeenergi på atomnivå för att återvinna och använda den för att dramatiskt öka effektiviteten och i slutändan minska användningen av fossila bränslen. Sådant arbete skulle i hög grad hjälpas av att faktiskt se hur värmen rör sig genom material, men att fånga bilder av de grundläggande fysiska processerna i kärnan i värmeenergirörelse har gett enorma utmaningar. Detta beror på att de grundläggande längdskalorna är nanometer (en miljarddels meter) och hastigheterna kan vara många miles per sekund. Sådana extrema förhållanden har gjort avbildning av denna allestädes närvarande process utomordentligt utmanande.

För att övervinna dessa utmaningar och bild av värmeenergins rörelse, forskarna använde ett banbrytande FEI Tecnai Femto ultrasnabbt elektronmikroskop (UEM) som kan undersöka materialdynamiken i atom- och molekylskala över tidsintervaller mätt i femtosekunder (en miljonedel av en miljarddels sekund). I det här arbetet, forskarna använde en kort laserpuls för att excitera elektroner och mycket snabbt värma kristallina halvledande material av volframdiselenid och germanium. De tog sedan slow-motion-videor (bromsade med över en miljard gånger normal hastighet) av de resulterande vågorna av energi som rör sig genom kristallerna.

"Så snart vi såg vågorna, vi visste att det var en extremt spännande observation, "sa huvudforskaren David Flannigan, en biträdande professor i kemiteknik och materialvetenskap vid University of Minnesota. "Att se den här processen hända på nanoskala är faktiskt en dröm som går i uppfyllelse."

Flannigan sa att värmens rörelse genom materialet ser ut som krusningar på en damm efter att en sten har tappats i vattnet. Videorna visar energivågor som rör sig vid cirka 6 nanometer (0.000000006 meter) per pikosekund (0.000000000001 sekund). Kartlägga energins oscillationer, kallade fononer, på nanoskala är avgörande för att utveckla en detaljerad förståelse av grunderna för värmeenergirörelse.

"I många applikationer, forskare och ingenjörer vill förstå termisk energirörelse, kontrollera det, samla den, och exakt vägleda det för att göra användbart arbete eller mycket snabbt flytta det från känsliga komponenter, "Sa Flannigan." Eftersom längderna och tiderna är så små och så snabba, det har varit mycket svårt att i detalj förstå hur detta sker i material som har brister, som i princip alla material gör. Att bokstavligen se denna process hända skulle gå mycket långt för att bygga vår förståelse, och nu kan vi göra just det. "