(Phys.org)—Forskare har teoretiskt visat den lägsta hastigheten för värmeöverföring, eller värmeledningsförmåga, i något kiselbaserat material som hittills utvecklats.

Det nya materialet, som är en polykristallin kisel nanotråd, bryter två gränser:Casimir-gränsen och den amorfa gränsen. Casimir-gränsen är en teori som beskriver värmeledningsförmågan hos nanostrukturer, och att bryta det betyder att den termiska konduktiviteten hos det nya materialet är lägre än värdet som förutspåtts av Casimirs gränsteorin. Den amorfa gränsen anses vara den lägsta värmeledningsförmågan hos ett material, eftersom amorfa strukturer starkt sprider värmebärare. Dock, tack vare sin unika design i nanoskala, den polykristallina nanotråden av kisel har en värmeledningsförmåga som är tre gånger lägre än den för amorfa kiselmaterial.

Forskarna, Yanguang Zhou och Ming Hu vid RWTH Aachen University i Tyskland, har publicerat en artikel om den polykristallina kiselnanowiren i ett nyligen utgåva av Nanobokstäver .

Forskarna förväntar sig att det nya materialet kan vara särskilt användbart för termoelektriska applikationer. Genom att omvandla värmeenergi till el, termoelektriska material ger ett sätt att fånga upp en del av spillvärmen som avges av fordonsavgasrör, kraftverk, och tillverkningsanläggningar, och sedan omvandla värmen till nyttig energi.

I allmänhet, bra termoelektriska material är de som samtidigt har hög elektronledningsförmåga och låg värmeledningsförmåga. Tillsammans, dessa två egenskaper leder till en hög total värme-till-el-omvandlingseffektivitet. I den nya studien, forskarna fokuserade på att minska värmeledningsförmågan samtidigt som den redan höga elektronledningsförmågan hos kiselmaterial bibehölls.

"I det här pappret, vi rapporterar en ny struktur, polykristallin nanotråd, som kan minska värmeledningsförmågan till ett rekordlågt värde, bara en tredjedel av dess amorfa motsvarighet, " berättade Zhou Phys.org . "Om vi ​​håller den elektriska ledningsförmågan och Seebeck-koefficienten som konstanter, vilket kan uppnås genom att dopa materialet, effektiviteten hos den polykristallina nanotråden för att omvandla värme till elektricitet kan förbättras med 277 gånger jämfört med dess bulkmotsvarighet."

Nyckeln till den nya kiselnanotrådens låga värmeledningsförmåga är dess polykristallina form, som består av många kristallstrukturer av varierande former och storlekar i slumpmässiga orienteringar. Baserat på den genomsnittliga kornstorleken (ca 3 nm) i de polykristallina kiselnanotrådarna, Casimir-gränsen förutspår att värmeledningsförmågan inte kan vara under cirka 3 W/mK. Men forskarnas simuleringar visar att de polykristallina nanotrådarna av kisel har en värmeledningsförmåga på bara 0,7 W/mK. För jämförelse, detta värde är 269 gånger lägre än för bulkkisel, 77 gånger lägre än för orörda nanotrådar av kisel, och tre gånger lägre än för nanotrådar av amorfa kisel.

Forskarna förklarar att en viktig egenskap hos den polykristallina strukturen är att korngränserna mellan kristaller är diskontinuerliga. Som ett resultat, korngränserna blockerar och sprider de värmetransporterande fononerna, så att fononerna inte kan röra sig särskilt långt (bara ca 1 nm) genom materialet jämfört med hur långt de kan röra sig i andra kiselmaterial (upp till 1 µm), där korngränserna bildar ett kontinuerligt nätverk.

Resultaten här väcker frågan om vad den lägsta möjliga värmeledningsförmågan kan vara för kiselnanotrådar av någon form. I allmänhet, det finns två typer av vibrationer som bidrar till värmeledningsförmågan:propagoner och diffusoner. Forskarna förväntar sig att det borde vara möjligt att helt eliminera bidraget från propagoner genom att införliva oordning i form av nanotvinnade strukturer i de polykristallina kiselnanotrådarna för att minimera deras transport. Diffusoner, å andra sidan, orsakas av den inneboende strukturella störningen hos ett material, så de kan inte minskas på detta sätt. Ändå, genom att eliminera bidraget från propagons, forskarna förväntar sig att värmeledningsförmågan hos de polykristallina kiselnanotrådarna kan minskas ytterligare med 20 %. Forskarna planerar att eftersträva detta mål i framtida arbete.

© 2016 Phys.org