Un modèle mathématique du flux de chaleur à travers des fils miniatures pourrait aider à développer des dispositifs thermoélectriques qui convertissent efficacement la chaleur, même leur propre chaleur résiduelle, en électricité.

Développé chez A*STAR, le modèle décrit le mouvement des vibrations appelées phonons, qui sont responsables du transport de la chaleur dans les matériaux isolants. Les phonons se déplacent généralement en lignes droites dans des nanofils, des fils d'à peine quelques atomes de large. Des calculs antérieurs suggéraient que si des parties d'un nanofil contenaient des arrangements aléatoires de deux types d'atomes différents, les phonons seraient arrêtés net. Dans les nanofils d'alliage réels, bien que, les atomes d'un même élément pourraient se regrouper pour former de courtes sections composées des mêmes éléments.

Maintenant, Zhun-Yong Ong et Gang Zhang du A*STAR Institute of High Performance Computing à Singapour ont calculé les effets d'un tel ordre à courte portée sur le comportement des phonons. Leurs résultats suggèrent que la conduction thermique dans un nanofil ne dépend pas seulement des concentrations relatives des atomes de l'alliage et de la différence de leurs masses; cela dépend aussi de la façon dont les atomes sont distribués.

Leur modèle a simulé un nanofil de 88 micromètres de long contenant 160, 000 atomes de deux éléments différents. Ils ont découvert que lorsque le nanofil était plus ordonné, contenant des grappes des mêmes éléments, les phonons basse fréquence avaient du mal à se déplacer. En revanche, les phonons à haute fréquence pourraient voyager beaucoup plus loin que la longueur moyenne des régions ordonnées dans l'alliage. "Les phonons haute fréquence étaient plus mobiles qu'on ne l'imaginait, " dit Ong.

Les chercheurs ont utilisé leur modèle pour étudier la résistance thermique d'un nanofil contenant un mélange égal d'atomes de silicium et de germanium. L'ordre à courte distance des atomes a permis aux phonons à haute fréquence de voyager librement à travers le fil, ce qui lui confère une résistance thermique relativement faible. En revanche, une distribution aléatoire des atomes d'alliage a entraîné une résistance plus élevée, plus du triple de celle du cas commandé pour un fil de 2,5 micromètres de long. "Si ce désordre peut être réalisé dans de vrais matériaux composites, nous pourrions alors adapter la conductivité thermique du système, " dit Ong.

Comprendre la contribution relative des phonons basse et haute fréquence à la conduction thermique pourrait également aider les chercheurs à régler les propriétés thermiques des nanofils en laboratoire. "Par exemple, la rugosité de surface des nanofils est connue pour réduire la contribution à la conductivité thermique des phonons haute fréquence, " dit Ong.

Les chercheurs espèrent que leur modèle aidera les scientifiques à concevoir des matériaux composites à faible conductivité thermique. Une application intéressante est les dispositifs thermoélectriques, explique Ong. "Comme ces appareils reposent sur un différentiel thermique, une faible conductivité thermique est souhaitable pour des performances optimales."