کنترل جریان گرما با دقت اتمی

محققان دانشگاه ایلینویز با ترکیب روش‌های طراحی مواد در مقیاس اتمی و روش‌های اندازه‌گیری‌های فوق‌سریع، دیدگاه‌های جدیدی درباره چگونگی جریان یافتن گرما در عرض یک فصل‌مشترک بین دو ماده ارائه کرده‌اند.

بهبود کنترل تبادل حرارتی نکته کلیدی برای تقویت عملکرد فناوری‌های کنونی از قبیل مدارهای مجتمع و موتورهای احتراق و نیز فناوری‌های نوظهور از قبیل افزاره‌های ترموالکتریک است که از گرمای اتلافی انرژی مفید تولید می‌کنند. با این حال درک ناکافی از چگونگی هدایت گرما در سراسر مواد و بین آنها، رسیدن به سطح مناسبی از کنترل را مشکل کرده است.

محققان دانشگاه ایلینویز با مطالعه‌هایی در مقیاس اتمی، شرح داده‌اند که لایه منفردی از اتم‌ها می‌تواند جریان گرما در عرض یک سطح مشترک را مختل یا تقویت کند.  

دیوید کاهیل، یکی از این محققان، گفت: «گرما در سرتاسر مواد عایق از نظر الکتریکی بواسطه فونون‌ها هدایت می‌یابند. فونون‌ها نوسان‌های جمعی اتم‌ها هستند که شبیه موج‌ها در سرتاسر یک ماده حرکت می‌کنند. اطلاعات دانشمندان درباره چگونگی هدایت گرما در سرتاسر ماده، در مقایسه با اطلاعات آنها درباره چگونگی هدایت الکتریسیته و نور، تقریبا ابتدایی است.»

پاول براون، یکی دیگر از این محققان، گفت: «در این آزمایش‌ها از ساندویچ مولکولی استفاده می‌شود که به ما اجازه می‌دهد تا اثر شیمی سطح در فصل مشترک روی جریان گرمایی در مقیاس اتمی را مطالعه کنیم.»

این محققان ساخت ساندویچ مولکولی خود را با ترسیب لایه منفردی از مولکول‌ها روی یک سطح کوارتز شروع کردند. آنها در مرحله بعد بوسیله تکنیکی معروف به «چاپ کردن – انتقال دادن»، فیلم طلای بسیار نازکی روی این لایه مولکولی قرار دادند. سپس یک پالس گرما به لایه طلا اعمال کرده و چگونگی انتقال آن در سرتاسر این ساندویچ به کوارتز زیرین را بررسی کردند.

این گروه تحقیقاتی با تنظیم ترکیب مولکول‌های در تماس با لایه طلا، بسته به میزان استحکام پیوند مولکول‌ها با طلا، تغییری در انتقال گرما مشاهده کردند. آنها شرح دادند که پیوندهای قوی‌تر افزایش دوبرابری در جریان گرما ایجاد می‌کنند.

مارک لسیگو، رهبر این گروه تحقیقاتی، توضیح داد: «این نوسان در جریان گرما می‌تواند در دیگر سیستم‌ها خیلی بزرگ‌تر باشد. اگر مدهای نوسانی برای دو جامد مشابه‌تر باشند، ما می‌توانیم انتظار تغییر تا ۱۰ برابر یا بیشتر را داشته باشیم.» این محققان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی Nature Materials منتشر کرده‌اند.