Des chercheurs du MIT découvrent que la chaleur se déplaçant dans des matériaux appelés super-réseaux se comporte comme des ondes; la découverte pourrait permettre une meilleure thermoélectrique.

Appareils thermoélectriques, qui peut exploiter les différences de température pour produire de l'électricité, pourrait être rendu plus efficace grâce à de nouvelles recherches sur la propagation de la chaleur à travers des structures appelées super-réseaux. Les nouvelles découvertes montrent, de façon inattendue, que la chaleur peut voyager comme des vagues, plutôt que des particules, à travers ces nanostructures :des matériaux constitués de couches de seulement quelques milliardièmes de mètre d'épaisseur.

La chaleur - la vibration des atomes et des molécules d'un matériau - se déplace généralement selon une "marche aléatoire, " ce qui est difficile à contrôler. Les nouvelles observations montrent un schéma très différent, appelé flux cohérent, qui ressemble plus à des ondulations qui traversent un étang de manière ordonnée.

Cela ouvre la possibilité de nouveaux matériaux dans lesquels le flux de chaleur pourrait être adapté avec précision, des matériaux qui pourraient avoir des applications importantes. Par exemple, une telle recherche pourrait conduire à de nouvelles façons d'évacuer la chaleur générée par les appareils électroniques et les lasers à semi-conducteurs, ce qui nuit aux performances et peut même détruire les appareils.

Le nouveau travail, par l'étudiante diplômée Maria Luckyanova, postdoc Jivtesh Garg et le professeur Gang Chen, tout le département de génie mécanique du MIT, ainsi que d'autres étudiants et professeurs du MIT, Université de Boston, le California Institute of Technology et le Boston College—est rapporté cette semaine dans le journal Science .

L'étude porte sur un matériau nanostructuré appelé super-réseau :dans ce cas, un empilement de couches minces alternées d'arséniure de gallium et d'arséniure d'aluminium, chacun déposé à son tour par un processus appelé dépôt chimique en phase vapeur métal-organique. Les produits chimiques contenant ces éléments sont vaporisés sous vide, puis déposé sur une surface, leurs épaisseurs contrôlées avec précision tout au long du processus de dépôt. Les couches résultantes n'avaient que 12 nanomètres d'épaisseur, soit environ l'épaisseur d'une molécule d'ADN, et l'ensemble des structures avait une épaisseur de 24 à 216 nanomètres.

Les chercheurs pensaient auparavant que même si de telles couches pouvaient être atomiquement parfaites, il y aurait encore assez de rugosité aux interfaces entre les couches pour disperser les quasi-particules caloporteuses, appelé phonons, alors qu'ils se déplaçaient à travers le super-réseau. Dans un matériau à plusieurs couches, ces effets de diffusion s'accumuleraient, on pensait, et "détruire l'effet d'onde" des phonons, dit Chen, le professeur Carl Richard Soderberg d'ingénierie énergétique. Mais cette hypothèse n'avait jamais été prouvée, alors lui et ses collègues ont décidé de réexaminer le processus, il dit.

En effet, les expériences de Luckyanova et les simulations informatiques de Garg ont montré que, bien qu'une telle diffusion aléatoire de phase ait lieu parmi les phonons à haute fréquence, les effets d'onde ont été préservés parmi les phonons de basse fréquence. Chen dit qu'il a été très surpris lorsque Luckyanova est revenu avec les premières données expérimentales pour montrer "que la conduction cohérente de la chaleur se produit vraiment".

Comprendre les facteurs qui contrôlent cette cohérence pourrait, à son tour, conduire à de meilleures façons de briser cette cohérence et de réduire la conduction de la chaleur, dit Chen. Cela serait souhaitable dans les dispositifs thermoélectriques pour exploiter l'énergie thermique inutilisée dans tout, des centrales électriques à l'électronique. De telles applications nécessitent des matériaux qui conduisent très bien l'électricité mais conduisent très mal la chaleur.

Les travaux pourraient également améliorer l'évacuation de la chaleur, comme pour le refroidissement des puces informatiques. La capacité de se concentrer et de diriger le flux de chaleur pourrait conduire à une meilleure gestion thermique pour de tels appareils. Chen dit que les chercheurs ne savent pas encore comment exercer un contrôle aussi précis, mais la nouvelle compréhension pourrait aider. Comprendre ce mécanisme à base d'ondes "vous donne plus de façons de manipuler le transport" de la chaleur, il dit.

Les deux matériaux utilisés dans cette expérience ont des propriétés très similaires, Luckyanova dit, et conduit très bien l'électricité. Mais en contrôlant l'épaisseur et l'espacement des couches, elle dit, "nous pensons pouvoir manipuler le transport thermique, " produisant le genre d'effet isolant nécessaire pour les appareils thermoélectriques.

Le rôle des interfaces entre les couches d'un matériau "est quelque chose qui n'était pas vraiment compris, " dit Garg. Les simulations précédentes n'avaient pas réussi à inclure les effets de la variation de la texture de la surface sur le processus, il dit, mais « j'ai réalisé qu'il existait un moyen de simuler le rôle de la rugosité » sur la façon dont les phonons se déplaçaient à travers la pile de couches.

Les nouveaux travaux offrent non seulement la possibilité de contrôler le flux de chaleur (principalement transporté par des phonons à courtes longueurs d'onde), mais également de contrôler le mouvement des ondes sonores (principalement transportés par des phonons de plus grande longueur d'onde). "C'est vraiment une sorte de compréhension fondamentale, " dit Chen.

Les idées qui ont rendu le travail possible sont nées en grande partie d'interactions entre des chercheurs de différentes disciplines, facilité par le Centre de conversion d'énergie solaire-thermique à l'état solide, un Energy Frontier Center financé par le département américain de l'Énergie, qui organise régulièrement des réunions interdisciplinaires au MIT. "Ces rencontres ont été longues, discussions fructueuses qui ont vraiment renforcé le document, ", dit Luckyanova. La variété des personnes dans le groupe "nous a vraiment encouragés à attaquer ce problème de tous les côtés".