Grâce à une combinaison de conception de matériaux à l'échelle atomique et de mesures ultrarapides, des chercheurs de l'Université de l'Illinois ont révélé de nouvelles informations sur la façon dont la chaleur circule à travers une interface entre deux matériaux.

Les chercheurs ont démontré qu'une seule couche d'atomes peut perturber ou améliorer le flux de chaleur à travers une interface. Leurs résultats sont publiés cette semaine dans Nature Materials.

Un meilleur contrôle des échanges thermiques est un élément clé pour améliorer les performances des technologies actuelles telles que les circuits intégrés et les moteurs à combustion ainsi que les technologies émergentes telles que les dispositifs thermoélectriques, qui récupèrent de l'énergie renouvelable à partir de la chaleur résiduelle. Cependant, atteindre le contrôle est entravé par une compréhension incomplète de la façon dont la chaleur est conduite à travers et entre les matériaux.

« La chaleur traverse un matériau électriquement isolant via des « phonons », ' qui sont des vibrations collectives d'atomes qui voyagent comme des ondes à travers un matériau, " a déclaré David Cahill, professeur Willett et responsable de la science et de l'ingénierie des matériaux à l'Illinois et co-auteur de l'article. "Par rapport à notre connaissance de la façon dont l'électricité et la lumière voyagent à travers les matériaux, les connaissances des scientifiques sur les flux de chaleur sont plutôt rudimentaires. »

Une des raisons pour lesquelles une telle connaissance reste insaisissable est la difficulté de mesurer avec précision les températures, en particulier à de petites échelles et sur de courtes périodes de temps - les paramètres sous lesquels de nombreux micro et nano dispositifs fonctionnent.

Durant la dernière décennie, Le groupe de Cahill a affiné une technique de mesure utilisant des impulsions laser très courtes, durant seulement un billionième de seconde, pour sonder le flux de chaleur avec précision avec une résolution nanométrique. Cahill a fait équipe avec Paul Braun, le professeur Racheff de science et d'ingénierie des matériaux à l'U. of I. et un leader dans la synthèse de matériaux à l'échelle nanométrique, appliquer la technique pour comprendre comment les caractéristiques à l'échelle atomique affectent le transport de chaleur.

"Ces expériences ont utilisé un "sandwich moléculaire" qui nous a permis de manipuler et d'étudier l'effet de la chimie à l'interface sur le flux de chaleur, à l'échelle atomique, " a déclaré Braun.

Les chercheurs ont assemblé leur sandwich moléculaire en déposant d'abord une seule couche de molécules sur une surface de quartz. Prochain, grâce à une technique dite d'impression par transfert, ils ont placé un film d'or très mince sur ces molécules. Ensuite, ils ont appliqué une impulsion de chaleur à la couche d'or et mesuré la façon dont elle traversait le sandwich jusqu'au quartz au fond.

En ajustant juste la composition des molécules en contact avec la couche d'or, le groupe a observé un changement dans le transfert de chaleur en fonction de la force de la molécule liée à l'or. Ils ont démontré qu'une liaison plus forte produisait une double augmentation du flux de chaleur.

"Cette variation de flux de chaleur pourrait être beaucoup plus importante dans d'autres systèmes, " a déclaré Mark Losego, qui a dirigé cet effort de recherche en tant que chercheur postdoctoral à l'Illinois et est maintenant professeur-chercheur à la North Carolina State University. "Si les modes vibrationnels des deux solides étaient plus similaires, nous pouvions nous attendre à des changements allant jusqu'à un facteur 10 ou plus."

Les chercheurs ont également utilisé leur capacité à ajuster systématiquement la chimie interfaciale pour composer une valeur de flux de chaleur entre les deux extrêmes, vérifier la capacité d'utiliser ces connaissances pour concevoir des systèmes de matériaux avec les propriétés de transport thermique souhaitées.

"Nous avons essentiellement montré que le changement même d'une seule couche d'atomes à l'interface entre deux matériaux a un impact significatif sur le flux de chaleur à travers cette interface, " dit Losego.

Scientifiquement, ce travail ouvre de nouvelles voies de recherche. Le groupe de l'Illinois travaille déjà à une compréhension fondamentale plus approfondie du transfert de chaleur en affinant les méthodes de mesure pour quantifier la rigidité de la liaison interfaciale, ainsi que d'étudier la dépendance à la température, qui révélera une meilleure image fondamentale de la façon dont les changements dans la chimie de l'interface perturbent ou améliorent le flux de chaleur à travers l'interface.

"Pendant de nombreuses années, les modèles physiques de flux de chaleur entre deux matériaux ont ignoré les caractéristiques au niveau atomique d'une interface, " a déclaré Cahill. "Maintenant, ces théories doivent être affinées. Les méthodes expérimentales développées ici aideront à quantifier dans quelle mesure les caractéristiques structurelles interfaciales contribuent au flux de chaleur et seront utilisées pour valider ces nouvelles théories. »

Braun et Cahill sont affiliés au laboratoire de recherche sur les matériaux Frederick Seitz de l'Université d'I. Braun est également affilié au département de chimie et au Beckman Institute for Advanced Science and Technology. Le Bureau de la recherche scientifique de l'Air Force a soutenu ce travail.