(Phys.org) —Les chercheurs proposent une nouvelle technologie qui pourrait contrôler le flux de chaleur de la même manière que les appareils électroniques contrôlent le courant électrique, une avancée qui pourrait avoir des applications dans un large éventail de domaines allant de l'électronique aux textiles.

Le concept utilise de minuscules structures triangulaires pour contrôler les "phonons, " Phénomènes de mécanique quantique qui décrivent comment les vibrations traversent la structure cristalline d'un matériau.

Les résultats de la recherche utilisant des simulations avancées montrent que les structures triangulaires ou en forme de T - si elles sont suffisamment petites en largeur - sont capables de "rectifier thermiquement, " ou permettant un flux de chaleur plus important dans un sens que dans le sens opposé, dit Xiulin Ruan, professeur agrégé à l'École de génie mécanique de l'Université Purdue et au Birck Nanotechnology Center.

Le redressement a rendu possible les transistors, diodes et circuits mémoire au cœur de l'industrie des semi-conducteurs. Les nouveaux appareils sont des redresseurs thermiques qui pourraient remplir la même fonction, mais avec des phonons au lieu de courant électrique.

« Dans la plupart des systèmes, le flux de chaleur est égal dans les deux sens, il n'y a donc pas de dispositifs thermiques comme les diodes électriques. Cependant, si nous sommes capables de contrôler le flux de chaleur comme nous contrôlons l'électricité à l'aide de diodes, nous pouvons activer de nombreux dispositifs thermiques nouveaux et passionnants, notamment des interrupteurs thermiques, transistors thermiques, portes logiques et mémoire, " dit Ruan, dont le groupe de recherche a collaboré avec un groupe dirigé par Yong Chen, professeur agrégé au Département de physique et à l'École de génie électrique et informatique de Purdue. "Les gens commencent tout juste à comprendre comment ça marche, et c'est assez loin d'être utilisé dans les applications."

Les résultats sont détaillés dans un document de recherche paru en ligne dans la revue Lettres nano et sera publié dans un prochain numéro de la revue. L'article a été rédigé par les doctorants Yan Wang, Ajit Vallabhaneni et Jiuning Hu et l'ancien doctorant Bo Qiu; Chen ; et Ruan.

Les chercheurs ont utilisé une méthode de simulation avancée appelée dynamique moléculaire pour démontrer la rectification thermique dans des structures appelées « nanorubans asymétriques de graphène ». Les simulations de dynamique moléculaire peuvent simuler les vibrations des atomes et prédire le flux de chaleur dans un matériau.

Graphène, une couche de carbone extrêmement fine, est prometteur pour des applications en électronique et en informatique. La structure triangulaire doit être de faible largeur pour permettre le "confinement latéral" des phonons nécessaires à l'effet. Les résultats montrent également que la rectification thermique ne se limite pas au graphène, mais peut être observée dans d'autres matériaux dans des structures telles que pyramidale, conceptions trapézoïdales ou en forme de T.

Hu, Ruane, et Chen a également publié un article il y a quatre ans dans la revue Lettres nano , parmi les premiers à proposer des nanorubans asymétriques de graphène comme redresseur thermique dans la recherche utilisant les simulations de dynamique moléculaire. Bien que de nombreuses études aient été consacrées à ce sujet depuis lors, jusqu'à présent, les chercheurs ne connaissaient pas le mécanisme de la rectification thermique. Les nouvelles découvertes montrent que ce mécanisme fonctionne en limitant les vibrations lorsqu'elles se déplacent dans la petite direction latérale d'une structure asymétrique.

"Nous démontrons que d'autres matériaux asymétriques, tels que les nanofils asymétriques, films minces, et les boîtes quantiques d'un même matériau peuvent aussi être des redresseurs thermiques performants, tant que vous avez un confinement latéral, " a déclaré Ruan. " Cela élargit vraiment le potentiel de cette rectification à un spectre d'applications beaucoup plus large. "

La rectification thermique n'est pas observée dans les grandes structures de forme triangulaire car elles manquent de confinement latéral. Pour réaliser un confinement latéral, la section transversale de la structure doit être beaucoup plus petite que le "libre parcours moyen" d'un phonon, ou seulement quelques à quelques centaines de nanomètres selon le matériau, a dit Wang.

"C'est la distance moyenne qu'un phonon peut parcourir avant d'entrer en collision avec un autre phonon, " il a dit.

Cependant, bien que les appareils doivent être minuscules, ils pourraient être reliés en série pour produire des structures plus grandes et de meilleures performances de rectification.

Le concept pourrait trouver des applications dans des applications de « gestion thermique » pour l'informatique et l'électronique, bâtiments et même des vêtements.

"Par exemple, une nuit d'hiver, vous ne voulez pas qu'un bâtiment perde rapidement de la chaleur vers l'extérieur, tandis que pendant la journée vous voulez que le bâtiment soit réchauffé par le soleil, il serait donc bon d'avoir des matériaux de construction qui permettent le flux de chaleur dans une direction, mais pas l'autre, " dit Ruan.

Un potentiel, bien que spéculatif, l'application future pourrait être les transistors thermiques. Contrairement aux transistors conventionnels, les transistors thermiques ne nécessiteraient pas l'utilisation de silicium, sont basés sur des phonons plutôt que sur des électrons et pourraient utiliser la grande quantité de chaleur résiduelle déjà générée dans la plupart des appareils électroniques pratiques, dit Chen.