Nanofononinen metamateriaali

Kolme viikkoa sitten suomalaisiakin tutkijoita sisältänyt tutkijaryhmä julkisti omaperäisen lämpösähköisen materiaalirakenteen.

Nyt myös University of Colorado Boulderin tutkijat ovat löytäneet luovan tavan parantaa radikaalisti lämpösähköisiä materiaaleja.  

Thermosähköisten materiaalien laajaa käyttöä on hidastanut se seikka, että materiaaleja, joissa virtaa sähkö kulkee myös lämpö. Eli samaan aikaan kun lämpötila-ero luo sähköistä potentiaalia, lämpötilaero alkaa heiketä.

Ongelmaa yritettiin aikoinaan ratkoa etsimällä materiaaliominaisuuksia joilla saisi sähkön virtaamaan helpommin kuin lämmön. Kun nanoteknologia yleistyi niin materiaalifyysikot ovat yrittäneet sen avulla luoda rakenteita jotka haittasivat lämpövirtausta enemmän kuin sähkövirtausta. Mutta parhaassakin tapauksessa myös elektronien virta heikkeni.

Coloradon tutkijoiden uudenlainen tekniikka tukeutuu joukkoon pieniä pilareita sähkötermisen materiaalin pinnalla. Näin muodostuu nanofononinen metamateriaali.

Normaalisti lämpö kulkee materiaalien läpi sarjana värähtelyitä, jotka tunnetaan fononeina. Kuvan nanofononisessa metamateriaalissa pilarien aiheuttamat värähtelyt hidastavat ohutkalvon horisontaalista lämmön virtausta.

Tutkijat osoittivat tietokonemallinnuksen avulla, että pilarien värähtelyt olisivat vuorovaikutuksessa fononien värähtelyjen kanssa, näin hidastaen lämpövirtausta. Pilarien värähtelyjen ei oleteta vaikuttavan sähkövirtaukseen.

Tutkijatyhmä arvioi, että nanomittakaavan pilarit voisivat vähentää materiaalin läpi kulkevaa lämpövirtaa puoleen, mutta vähennys voi olla huomattavasti vahvempikin, koska laskelmat tehtiin hyvin konservatiivisesti, toteaa tutkimuksia vetänyt Mahmoud Hussein yliopistonsa tiedotteessa.

Paremmilla lämpösähköisillä materiaaleilla voisi esimerkiksi parantaa hukkalämmön talteenottoa sekä aurinkopaneelien ja kylmälaitteiden tehokkuutta.