Развитый в A*STAR, модель описывает движение колебаний, названных фононами, которые ответственны за перенос тепла в изоляционных материалах. Фононы, как правило, перемещаются в прямые линии в нанопроводах – нити едва несколько широких атомов.
Предыдущие вычисления предположили, что, если бы части нанопровода содержали случайные меры двух различных типов атомов, фононы замерлись бы. В фактических нанопроводах сплава, тем не менее, атомы того же самого элемента могли бы группироваться вместе, чтобы сформировать короткие разделы, состоявшие из тех же самых элементов.Теперь, Чжунь-Ён Ун и Банда Чжан из Института A*STAR Вычисления Высокой эффективности в Сингапуре вычислили эффекты такого ближнего порядка на поведении фононов [1].
Их результаты предполагают, что тепловая проводимость в нанопроводе только зависит от относительных концентраций атомов сплава и различия в их массах; это также зависит от того, как атомы распределены.Их модель моделировала нанопровод 88 микрометров длиной, содержащий 160 000 атомов двух различных элементов.
Они нашли, что, когда нанопровод был более заказан – содержащий группы тех же самых элементов – низкочастотные фононы изо всех сил пытались переместиться. Напротив, высокочастотные фононы могли поехать гораздо дальше, чем средняя длина заказанных регионов в сплаве. «Высокочастотные фононы были более мобильными, чем мы вообразили», говорит Онг.Исследователи использовали свою модель, чтобы изучить тепловое сопротивление нанопровода, содержащего равное соединение кремниевых и германиевых атомов. Заказ малой дальности атомов позволил высокочастотным фононам свободно перемещаться через провод, дав ему относительно низкое тепловое сопротивление.
Напротив, случайное распределение атомов сплава привело к более высокому сопротивлению – по тройному тот из заказанного случая для провода 2,5 микрометра длиной. «Если этот беспорядок может быть осознан в реальных композиционных материалах тогда, мы могли бы скроить теплопроводность системы», говорит Онг.Понимание относительного вклада низких – и высокочастотные фононы, чтобы нагреть проводимость могло также помочь исследователям настроить тепловые свойства нанопроводов в лаборатории. «Например, поверхностное огрубление нанопроводов, как известно, уменьшает вклад теплопроводности высокочастотных фононов», говорит Онг.
Исследователи надеются, что их модель поможет ученым проектировать композиционные материалы с низкой теплопроводностью. Одно привлекательное применение – термоэлектрические устройства, объясняет Онг. «Поскольку эти устройства полагаются на тепловой дифференциал, низкая теплопроводность желательна для оптимальной работы».A*STAR-affiliated исследователи, способствующие этому исследованию, от Института Высокоэффективного Вычисления