Come regolare i flussi di calore alle nanoscale

Materiali progettati a scala atomica e laser con impulsi estremamente brevi hanno permesso studi innovativi sulla modalità di trasmissione del calore a dimensioni dell'ordine di nanometri e a tempi dell'ordine di picosecondi. I risultati hanno mostrato che un'interfaccia spessa un solo strato di atomi può interrompere oppure aumentare in modo significativo i flussi di calore tra due materiali 

Uno strato di atomi può interrompere o aumentare il flusso di calore attraverso un'interfaccia. La scoperta è stata fatta da un gruppo di ricercatori dell’Università dell’Illinois, che ha ottenuto il risultato grazie alla progettazione di materiali e di apparecchiature per misurazioni termiche ultraveloci. 

Le prestazioni di buona parte delle tecnologie, dai motori a combustione ai circuiti integrati fino ai pannelli solari, sono influenzate, a volta in maniera determinante, dalla capacità di controllare i flussi di calore. Tuttavia, come osserva David Cahill, coautore di un articolo pubblicato su “Nature Materials” in cui si illustra la ricerca, “rispetto alle nostre conoscenze di come elettricità e luce viaggiano attraverso i materiali, la conoscenza del flusso di calore è piuttosto rudimentale”.

La principale difficoltà nello studio della trasmissione del calore a livello microscopico è rappresentata dalla misurazione precisa della temperatura a piccole scale di lunghezza e su brevi periodi di tempo.

Per questo i ricercatori, prima di procedere alle sperimentazioni, hanno messo a punto una tecnica di misurazione che utilizza impulsi laser molto brevi, della durata di un solo picosecondo (equivalente a un millesimo di miliardesimo di secondo), in grado di sondare il flusso di calore in modo accurato con risoluzione nanometrica in profondità. 

"Per questi esperimenti abbiamo usato un 'sandwich molecolare' che ci ha permesso di manipolare e studiare l'effetto della chimica all'interfaccia sul flusso di calore a scala atomica", ha detto Paul Braun, che ha partecipato allo studio. Il sandwich molecolare era costituito da uno strato monomolecolare depositato su una superficie di quarzo, sul quale era collocata una pellicola di oro molto sottile. 

Nel corso degli esperimenti i ricercatori hanno applicato un impulso di calore alla pellicola di oro: "Il calore viaggia attraverso il materiale elettricamente isolante via 'fononi', che sono le vibrazioni collettive degli atomi che viaggiano come onde attraverso un materiale", ha detto Cahill.

 Cortesia Mark Losego

Variando la sola composizione delle molecole a contatto con lo strato di oro, i ricercatori hanno potuto osservare come l’efficienza del trasferimento di calore dipendesse da quanto fortemente lo strato molecolare interposto fosse in grado di legarsi all’oro, e ancor più da quanto le modalità vibrazionali dei due materiali fossero affini. 

"Abbiamo praticamente dimostrato che cambiare anche un singolo strato di atomi all'interfaccia tra due materiali incide in modo significativo sul flusso di calore attraverso l'interfaccia", osservano gli autori. "Questa variazione potrebbe essere molto più elevata per altri sistemi. Se le modalità vibrazionali per i due solidi fossero più simili, ci si potrebbe aspettare cambiamenti fino a un fattore dieci o più."

"Per molti anni, i modelli fisici per il flusso di calore tra i due materiali hanno ignorato le caratteristiche a livello atomico di un'interfaccia", ha concluso Cahill. "Ora queste teorie devono essere perfezionate. I metodi sperimentali da noi sviluppati aiuteranno a quantificare la misura in cui le caratteristiche strutturali all’interfaccia contribuiscono a flusso di calore.”


Fonte: Le Scienze