Se réchauffer :améliorer la modélisation du flux de chaleur

Fig. 1 :Structure du flux de chaleur bidimensionnel à une interface solide-liquide où le gradient de température est dans la direction z, dans des conditions (a,b) mauvaises ou (c,d) bonnes de mouillabilité. Les conditions de simulation sont différentes des résultats de l'article. Crédit :Kunio Fujiwara et Masahiko Shibahara

Des scientifiques de l'Université d'Osaka ont simulé le transport de chaleur aux plus petites échelles à l'aide d'une simulation informatique de dynamique moléculaire. En étudiant les mouvements des particules individuelles qui constituent la frontière entre un solide et un liquide, ils ont pu calculer le flux de chaleur avec une précision sans précédent. Ces travaux pourraient conduire à des améliorations significatives de notre capacité à fabriquer des dispositifs à l'échelle nanométrique, ainsi que des surfaces fonctionnelles et des dispositifs nanofluidiques.

Le processus par lequel la chaleur est transférée au point où un solide rencontre un liquide peut sembler être un simple problème de physique. Traditionnellement, des quantités macroscopiques, telles que la densité, la pression, la température et la capacité calorifique, étaient utilisées pour calculer la vitesse à laquelle l'énergie thermique se déplace entre les matériaux. Cependant, la prise en compte correcte du mouvement des molécules individuelles, tout en respectant les lois de conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement, ajoute une grande complexité. Des simulations informatiques améliorées à l'échelle atomique seraient inestimables pour comprendre plus précisément un large éventail d'applications réelles, en particulier dans le domaine des nanotechnologies.

Maintenant, une équipe de chercheurs de l'Université d'Osaka a développé une nouvelle technique numérique pour visualiser pour la première fois un flux de chaleur modélisé à l'échelle atomique. "Pour comprendre fondamentalement le transport thermique à travers une interface solide-liquide, les propriétés de transport des atomes et des molécules doivent être prises en compte", explique le premier auteur de l'étude, Kunio Fujiwara. "Nous avons modélisé le flux de chaleur près d'une région d'interface solide-liquide avec une résolution spatiale subatomique en utilisant des simulations classiques de dynamique moléculaire. Cela nous a permis de créer des images de la structure tridimensionnelle du flux d'énergie pendant le transfert de chaleur entre les couches. ."

Fig. 2:Structure du flux de chaleur tridimensionnel à une interface solide-liquide à des emplacements z spécifiés dans des conditions de mouillabilité (a, b) médiocres ou (c, d) bonnes. Les conditions de simulation sont différentes des résultats de l'article. Crédit :Kunio Fujiwara et Masahiko Shibahara

En utilisant le potentiel populaire de Lennard-Jones pour calculer les interactions entre les atomes adjacents, l'équipe a découvert que la direction du flux de chaleur dépend fortement des contraintes subatomiques dans les structures des solides ou des liquides.

"Avant, il n'y avait pas de bon moyen de visualiser le flux de chaleur à l'échelle atomique", explique l'auteur principal Masahiko Shibahara. "Ces résultats devraient nous permettre d'élucider et de modifier le transport thermique en fonction de la configuration 3D du flux de chaleur."

Cela peut permettre de réaliser plus efficacement une fabrication personnalisée à l'échelle nanométrique. + Explorer plus loin