La recherche scientifique nous a fourni une compréhension fondamentale de la façon dont la lumière (via les photons) et l'électricité (via les électrons) se déplacent à l'intérieur et entre les matériaux aux niveaux micrométrique ou nanométrique, rendant possible une grande variété de dispositifs miniatures tels que des transistors, capteurs optiques et systèmes microélectromécaniques (MEMS). Cependant, les connaissances de l'homme sur les flux de chaleur à l'échelle micro et nanométrique sont au mieux rudimentaires.

Maintenant, une équipe de recherche de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign (UIUC) a développé un nouveau système pour examiner et mesurer la conductance thermique à l'échelle nanométrique à l'interface entre deux matériaux. Avec plus de raffinement, les scientifiques pensent que leur avancée pourrait un jour fournir des données pour des applications telles que la récupération d'électricité à partir de la chaleur résiduelle, un meilleur refroidissement des dispositifs microélectroniques et un ciblage « de recherche de chaleur » des cellules malades par des thérapies hyperthermiques (au-dessus de la température corporelle normale).

Les conclusions de l'équipe seront présentées par Mark Losego, anciennement post-doctorant à l'UIUC et maintenant professeur assistant de recherche en génie chimique et biomoléculaire à la North Carolina State University, lors du 59ème Symposium International et Exposition AVS, tenue du 28 octobre au nov. 2, 2012, à Tampa, Floride

A l'échelle nanométrique, les propriétés thermiques sont le résultat de vibrations entre atomes voisins. Les liaisons entre les atomes portent ces vibrations similaires à un ressort oscillant. L'équipe de l'UIUC a développé une technique pour étudier les effets de ces liaisons sur le transport de chaleur à travers une interface entre deux matériaux différents. "Nous voulions un système où nous pourrions observer, analyser et quantifier le flux thermique à travers une interface avec une précision de niveau atomique, " dit Losego.

Le système commence par un substrat à base de cristal de quartz, sur laquelle les chercheurs placent des chaînes moléculaires longues de 12 atomes de carbone. À la base de chaque chaîne se trouve un "capuchon" chimique qui se lie de manière covalente au quartz. L'attraction de ces capuchons sur le substrat aligne spontanément toutes les chaînes carbonées dans un réseau ordonné de molécules connu sous le nom de monocouche auto-assemblée (SAM). À l'extrémité opposée de chaque chaîne carbonée se trouve un type de capuchon différent, soit un groupe thiol (soufre et hydrogène) qui se lie fortement aux métaux, soit un groupe méthyle (carbone et hydrogène) qui se lie faiblement.

« Nous utilisons ensuite un tampon en silicone viscoélastique pour « transférer les couches d'or imprimées » sur la surface SAM, " explique Losego. " Ce processus est similaire au transfert d'un décalque sur un T-shirt où le film doré est le " décalque " attaché au " support " du tampon en silicone. Lorsque nous enlevons lentement le silicone, nous laissons la couche d'or sur le SAM."

Il est à l'interface entre le film d'or et le SAM, Losego dit, où le flux de chaleur à l'échelle nanométrique est caractérisé. "Changer les groupes chimiques qui sont en contact avec la couche d'or nous permet de voir comment différentes liaisons affectent le transfert de chaleur, " il ajoute.

Combiné à une technique laser ultrarapide capable de surveiller la décroissance de la température (ou la perte de chaleur) avec une résolution en picoseconde (millième de seconde), les chercheurs de l'UIUC peuvent utiliser leur système expérimental pour évaluer les flux de chaleur à l'échelle atomique. "Nous chauffons la couche d'or attachée à la monocouche et pouvons surveiller la baisse de température avec le temps, " explique Losego. " Parallèlement, nous observons des oscillations dans le film d'or qui indiquent la force des liaisons à la jonction or-SAM. En utilisant ces mesures, nous sommes en mesure de vérifier de manière indépendante que les liaisons fortes [oscillations à décroissance rapide] ont un transfert de chaleur rapide tandis que les liaisons faibles [oscillations à décroissance lente] ont un transfert de chaleur plus lent. »

Les chercheurs prévoient d'affiner leur système de mesure thermique à l'échelle nanométrique et de développer des calculs théoriques pour mieux interpréter les données qu'il produit.