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  • Les fractales aident les efforts pour comprendre le transport de chaleur à l'échelle nanométrique

    Des chercheurs ont pour la première fois utilisé une théorie moderne du transport de chaleur dans des expériences avec des semi-conducteurs utilisés dans les ordinateurs, lasers et thermoélectriques. L'image de gauche montre un rendu de la propagation de la chaleur dans un semi-conducteur en utilisant la théorie moderne du transport. L'image de droite montre un rendu utilisant la théorie conventionnelle du transport de chaleur. Crédit :Purdue University image/ Bjorn Vermeersch et Ali Shakouri

    Des chercheurs ont appliqué pour la première fois une théorie moderne du transport de chaleur dans des expériences avec des semi-conducteurs utilisés dans les ordinateurs et les lasers, avec des implications pour la conception de dispositifs qui convertissent la chaleur perdue en électricité et le contrôle de la surchauffe dans les composants électroniques miniaturisés et à grande vitesse.

    Pendant plus d'un siècle, le transport de chaleur dans les solides a été décrit en termes de mouvement chaotique aléatoire de « transporteurs d'énergie » semblable à une goutte de lait se dispersant dans le café et transférant progressivement la chaleur des régions les plus chaudes aux régions les plus froides. Cependant, sur les distances minuscules de quelques nanomètres, le mouvement de l'énergie thermique se comporte différemment et ressemble à la structure des fractales, qui sont constitués de motifs qui se répètent à des échelles plus petites à l'infini.

    "Quand on regarde le problème du transport de la chaleur, ce qui est surprenant c'est que la théorie que nous utilisons remonte à Fourier, c'était il y a 200 ans, et il l'a développé pour expliquer comment la température de la Terre change, " dit Ali Shakouri, Mary Jo et Robert L. Kirk de l'Université Purdue Directeur du Birck Nanotechnology Center et professeur de génie électrique et informatique. "Toutefois, nous utilisons toujours la même théorie à la plus petite échelle de taille, disons des dizaines de nanomètres, et l'échelle de temps la plus rapide de centaines de picosecondes."

    Une équipe de Purdue et de l'Université de Californie, Santa Barbara, a appliqué une théorie basée sur les travaux du mathématicien Paul Lévy dans les années 1930, dans des expériences avec le semi-conducteur indium gallium arséniure d'aluminium, qui est utilisé dans les transistors et les lasers à grande vitesse.

    "Le travail que nous avons fait est d'appliquer la théorie de Lévy pour la première fois au transport de chaleur dans des travaux expérimentaux de matériaux réels, " a déclaré Shakouri.

    Les résultats seront présentés en décembre lors de la réunion d'automne de la Materials Research Society à Boston. Les résultats ont été détaillés dans un article de recherche paru en juillet dans la revue NanoLettres et présenté comme une histoire de couverture.

    La recherche a montré que l'insertion de nanoparticules en alliage d'arséniure d'erbium réduit considérablement la conductivité thermique et double l'efficacité thermoélectrique du semi-conducteur. Les applications potentielles incluent les systèmes de récupération de la chaleur résiduelle dans les véhicules et les centrales électriques.

    "Par exemple, les deux tiers de l'énergie générée dans une voiture sont gaspillées sous forme de chaleur, " a déclaré Shakouri. " Même nos meilleures centrales électriques gaspillent la moitié ou les deux tiers de leur énergie sous forme de chaleur, et que la chaleur pouvait être convertie en électricité grâce à la thermoélectricité."

    Les appareils thermoélectriques produisent de l'électricité à partir de la chaleur, et leurs performances dépendent d'une différence de température prononcée - ou gradient - d'un côté de l'appareil à l'autre. Avoir une conductivité thermique plus faible préserve un gradient de température plus important, amélioration des performances

    Les nanoparticules font chuter la conductivité thermique du matériau par trois sans changer la dimension fractale. Les porteurs d'énergie - des quasiparticules appelées phonons - subiraient un mouvement "quasiballistique", ce qui signifie qu'ils sont transportés sans entrer en collision avec de nombreuses autres particules, provoquant la conduction de la chaleur avec « superdiffusion ». L'approche imite l'effet des "lunettes Lévy, " des matériaux contenant des sphères de verre qui modifient la diffusion de la lumière qui les traverse. Le même principe peut être utilisé pour concevoir des semi-conducteurs qui diffusent la chaleur différemment des matériaux conventionnels. En plus des thermoélectriques, l'approche pourrait être utilisée pour réduire l'échauffement dans l'électronique et améliorer les performances des dispositifs à grande vitesse et des lasers à haute puissance.


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