Un intérêt croissant pour les matériaux thermoélectriques - qui convertissent la chaleur perdue en électricité - et la pression pour améliorer le transfert de chaleur à partir de dispositifs microélectroniques de plus en plus puissants ont conduit à une meilleure compréhension théorique et expérimentale de la façon dont la chaleur est transportée à travers des matériaux à l'échelle nanométrique.

Des recherches récentes se sont concentrées sur la possibilité d'utiliser les effets d'interférence dans les ondes phonons pour contrôler le transport de chaleur dans les matériaux. L'interférence des ondes est déjà utilisée pour contrôler l'électronique, dispositifs photoniques et acoustiques. Si une approche similaire peut être utilisée dans le transport thermique, qui pourraient faciliter le développement de dispositifs thermoélectriques et nanoélectroniques plus efficaces, revêtements de barrière thermique améliorés, et de nouveaux matériaux à conductivité thermique ultra-faible.

Un article d'avancement publié le 23 juin dans la revue Matériaux naturels décrit les développements récents et prédit les progrès futurs en matière d'interférence des ondes phonons et de matériaux à bande interdite thermique.

« Si vous pouvez faire en sorte que la chaleur se comporte comme une vague et qu'elle provoque des interférences tout en contrôlant sa distance, vous pouvez essentiellement contrôler toutes les propriétés derrière le transport de chaleur, " a déclaré Martin Maldovan, professeur adjoint à l'École de génie chimique et biomoléculaire et à l'École de physique du Georgia Institute of Technology, et l'auteur de l'article. "Ce serait une toute nouvelle façon de comprendre et de manipuler la chaleur."

Dans la définition classique, la chaleur est constituée de vibrations dans les réseaux atomiques des matériaux. Plus il y a de vibrations dans la structure d'un matériau, plus le matériau est chaud. Et de la même manière que la lumière blanche est en fait composée de nombreuses couleurs de lumière différentes, ces phonons thermiques sont constitués de nombreuses fréquences différentes, chacune transportant des quantités variables de chaleur.

Des développements récents ont montré que les phonons thermiques peuvent interférer avec leurs propres réflexions. L'observation suggère que les phonons thermiques doivent exister sous forme d'ondes similaires aux ondes électroniques, ondes photoniques ou acoustiques. Cette interférence pourrait potentiellement être utilisée pour modifier la vitesse des phonons et la densité d'états, créant des bandes interdites d'énergie interdites aux ondes phonons. L'utilisation de bandes interdites similaires dans les matériaux optiques et électroniques a été la clé du développement d'une large gamme de dispositifs utiles.

Jusqu'à maintenant, le transport de chaleur dans les matériaux nanostructurés a été largement contrôlé par l'introduction d'impuretés à l'échelle atomique, interfaces, des surfaces et des nanoparticules qui réduisent le flux de chaleur en diffusant les phonons de manière diffuse. Le contrôle des effets d'onde pourrait faciliter de nouvelles approches impliquant la réflexion spéculaire et la transmission des vibrations thermiques aux interfaces.

"Considérant le succès remarquable obtenu lors de l'utilisation de l'électronique, interférence d'ondes photoniques et phononiques pour manipuler les électrons, ondes lumineuses et sonores, il est certainement intéressant d'étendre ces théories aux vibrations thermiques, créant ainsi une approche fondamentalement nouvelle pour manipuler le flux de chaleur, " Maldovan a écrit dans le journal.

Les matériaux thermoélectriques captent la chaleur résiduelle de sources telles que les gaz d'échappement des automobiles ou les processus industriels pour produire de l'électricité. L'amélioration de ces matériaux nécessitera une réduction supplémentaire de la conductivité thermique pour améliorer leur efficacité.

D'autre part, Les concepteurs de microélectronique souhaitent augmenter la conductivité thermique pour évacuer la chaleur des appareils puissants et minuscules. Les développeurs de piles à combustible et autres dispositifs de conversion doivent également améliorer le contrôle de la chaleur.

Maldovan a écrit l'article pour clarifier les problèmes liés au transport thermique, et d'intéresser d'autres personnes au domaine. Finalement, les chercheurs utiliseront ces nouvelles informations sur le transport de la chaleur pour concevoir de meilleurs matériaux.

"Ces phénomènes de nouvelle vague peuvent être utilisés pour créer des matériaux à faible conductivité thermique, " a déclaré Maldovan. "Nous essayons de créer une bande interdite thermique, mais ce n'est pas si facile à faire."

La recherche de matériaux à ondes phononiques thermiques se concentrera sur les semi-conducteurs un peu comme ceux utilisés en microélectronique, dit Maldovan. Mais alors que le silicium utilisé en microélectronique avait une bande interdite naturelle, les scientifiques ont dû créer une bande interdite dans les matériaux photoniques et acoustiques, et il en sera de même pour les matériaux thermiques. Les matériaux probables comprennent le silicium-germanium, l'arséniure de gallium et d'aluminium et certains superréseaux d'oxyde.

Pendant de nombreuses années, les chercheurs se sont concentrés sur la distance à laquelle la chaleur peut être transportée dans les matériaux. Pour le futur, la recherche portera sur la vitesse de ce transport, et combien de chaleur est déplacée dans le processus, Maldovan a prédit. Il compare le transport de chaleur à un problème plus familier :le transport humain.

« Si vous voulez déplacer beaucoup de monde, vous avez besoin d'un bus qui transportera beaucoup de monde, " dit-il. " Vous voulez aussi un véhicule qui peut se déplacer rapidement parce que si vous vous déplacez plus vite, vous pouvez transporter plus de personnes plus loin en moins de temps."

Les prochaines années devraient apporter une clarification importante sur le rôle des interférences et des bandes interdites dans les matériaux thermiques, Maldovan a prédit. Cela permettra de continuer à progresser dans les matériaux nécessaires au contrôle thermique.

"C'est maintenant une chose très cool de comprendre la chaleur, " il a dit.