(PhysOrg.com) -- Un effort de deux ans de l'Air Force Office of Scientific Research Initiative de recherche universitaire multidisciplinaire impliquant l'Université du Michigan, Université de Stanford, Université Brown, et l'Université de Californie à Santa Cruz fait de grands progrès dans la réalisation d'une compréhension fondamentale du transfert de chaleur aux interfaces.

"Nous visons à accomplir cela en appliquant des techniques de pointe de plusieurs disciplines pour arriver à un ensemble de règles de conception pour les interfaces d'ingénierie avec les propriétés thermiques souhaitées, " a déclaré le Dr Kevin Pipe, un professeur de génie mécanique à l'Université du Michigan qui dirige le projet.

Le transfert de chaleur est important pour la performance, puissance requise, et la fiabilité de nombreux systèmes militaires et commerciaux, y compris les réfrigérateurs thermoélectriques, systèmes de récupération de chaleur perdue, dissipateurs de chaleur, électronique de puissance, revêtements de barrière thermique, et les matériaux d'interface thermique.

"Les récents progrès des nanosciences ont permis un contrôle précis de la structure physique et chimique de l'interface, mais la physique fondamentale qui relie cette structure nanométrique au transport thermique n'est pas encore bien développée, inhiber l'ingénierie d'interfaces aux propriétés thermiques radicalement améliorées, " dit Pipe.

Les interfaces peuvent diminuer la conductivité thermique d'un matériau composite en diffusant les ondes acoustiques qui sont les principaux vecteurs de chaleur dans les solides.

« Ce processus de diffusion confère à chaque interface une résistance thermique, " dit Pipe.

Les chercheurs ont réalisé un certain nombre de réalisations au cours des deux premières années de leur effort de recherche, comprenant le développement d'un système d'imagerie thermique à grande vitesse et d'une technique pour mesurer la propagation des phonons, les paquets élémentaires d'énergie vibratoire qui transportent la chaleur, avec un rapport signal/bruit élevé. En utilisant des systèmes laser ultrarapides qui émettent des impulsions laser d'une durée inférieure à 50 femtosecondes, L'équipe de Pipe crée des ondes acoustiques à haute fréquence à la surface d'un matériau et, dans un processus similaire à l'imagerie médicale par ultrasons, mesure la manière dont ces ondes se diffusent des structures d'interface enterrées.

"Dans l'une de nos mesures, " dit Pipe, "Nous utilisons des impulsions de rayons X picosecondes pour observer directement le mouvement atomique à proximité d'une interface lorsque la chaleur la traverse."

En appliquant des techniques de nanofabrication précises pour créer des interfaces avec une structure atomique connue, les chercheurs sont en mesure de lier les propriétés de transfert de chaleur mesurées aux prédictions des simulations atomistiques pour mieux comprendre les processus fondamentaux impliqués.

"En faisant progresser l'état de l'art de ces techniques, nous visons à caractériser complètement une interface et à comprendre complètement ce qui contrôle le flux de chaleur à travers elle, " dit Pipe.

"Le Michigan MURI dirigé par le professeur Kevin Pipe fait des percées extraordinaires pour comprendre le transport thermique à l'échelle nanométrique en adaptant avec précision des interfaces à l'aide de techniques de traitement avancées et de méthodes expérimentales innovantes basées sur le laser pour délimiter les modes de phonons participant au transport de chaleur, " a déclaré le Dr Kumar V. Jata, Sciences thermales, AFOSR, Arlington, Va. et science des matériaux, Bureau asiatique de recherche et développement aérospatial, Tokyo, Japon. "Dans le passé, nous ne faisions jamais attention aux interfaces et les considérions comme parfaites ou imparfaites, un ou l'autre."