À l'aide d'un microscope électronique ultrarapide de pointe, Des chercheurs de l'Université du Minnesota ont enregistré les toutes premières vidéos montrant comment la chaleur se déplace à travers les matériaux à l'échelle nanométrique, voyageant à la vitesse du son.

La recherche, publié aujourd'hui dans Communication Nature , fournit un aperçu sans précédent des rôles joués par des caractéristiques atomiques et nanométriques individuelles qui pourraient aider à la conception de meilleurs, des matériaux plus efficaces avec un large éventail d'utilisations, de l'électronique personnelle aux technologies d'énergie alternative.

L'énergie sous forme de chaleur a un impact sur toutes les technologies et est un facteur majeur dans la façon dont les appareils électroniques et les infrastructures publiques sont conçus et fabriqués. C'est aussi la plus grande forme de gaspillage d'énergie dans les applications critiques, y compris la transmission d'énergie et surtout le transport, où, par exemple, environ 70 pour cent de l'énergie contenue dans l'essence est gaspillée sous forme de chaleur dans les moteurs d'automobile.

Les scientifiques et les ingénieurs des matériaux ont passé des décennies à rechercher comment contrôler l'énergie thermique au niveau atomique afin de la recycler et de l'utiliser pour augmenter considérablement l'efficacité et finalement réduire l'utilisation de combustibles fossiles. Un tel travail serait grandement facilité en observant réellement la chaleur se déplacer à travers les matériaux, mais capturer des images des processus physiques de base au cœur du mouvement de l'énergie thermique a présenté d'énormes défis. En effet, les échelles de longueur fondamentales sont des nanomètres (un milliardième de mètre) et les vitesses peuvent être de plusieurs miles par seconde. Ces conditions extrêmes ont rendu l'imagerie de ce processus omniprésent extrêmement difficile.

Pour relever ces défis et imaginer le mouvement de l'énergie thermique, les chercheurs ont utilisé un microscope électronique ultrarapide (UEM) FEI Tecnai Femto capable d'examiner la dynamique des matériaux à l'échelle atomique et moléculaire sur des périodes de temps mesurées en femtosecondes (un millionième de milliardième de seconde). Dans ce travail, les chercheurs ont utilisé une brève impulsion laser pour exciter des électrons et chauffer très rapidement des matériaux semi-conducteurs cristallins de diséléniure de tungstène et de germanium. Ils ont ensuite capturé des vidéos au ralenti (ralenti de plus d'un milliard de fois la vitesse normale) des vagues d'énergie résultantes se déplaçant à travers les cristaux.

"Dès que nous avons vu les vagues, nous savions que c'était une observation extrêmement excitante, " a déclaré le chercheur principal David Flannigan, professeur adjoint de génie chimique et de science des matériaux à l'Université du Minnesota. "En fait, regarder ce processus se dérouler à l'échelle nanométrique est un rêve devenu réalité."

Flannigan a déclaré que le mouvement de la chaleur à travers le matériau ressemble à des ondulations sur un étang après la chute d'un caillou dans l'eau. Les vidéos montrent des vagues d'énergie se déplaçant à environ 6 nanomètres (0,0000000006 mètres) par picoseconde (0,00000000001 seconde). Cartographier les oscillations de l'énergie, appelé phonons, à l'échelle nanométrique est essentiel pour développer une compréhension détaillée des principes fondamentaux du mouvement de l'énergie thermique.

« Dans de nombreuses applications, les scientifiques et les ingénieurs veulent comprendre le mouvement de l'énergie thermique, le contrôler, le ramasser, et le guider avec précision pour effectuer des travaux utiles ou l'éloigner très rapidement des composants sensibles, " a déclaré Flannigan. " Parce que les longueurs et les temps sont si petits et si rapides, il a été très difficile de comprendre en détail comment cela se produit dans les matériaux qui ont des imperfections, comme le font pratiquement tous les matériaux. Regarder littéralement ce processus se dérouler contribuerait grandement à renforcer notre compréhension, et maintenant nous pouvons faire exactement cela."