Lämpö virtaa kuin hunaja

Katalonian nanotieteen ja nanoteknologian instituutin (ICN2), Barcelonan autonomisen yliopiston (UAB), Eindhovenin teknillisen yliopiston (TU/e) ja McGillin yliopiston tutkijoiden johtama tutkimus kuvaa uudenlaista lämmönsiirtojärjestelmää kaksiulotteisissa materiaaleissa.

Tutkimus osoittaa, että 2D-puolijohteissa, erityisesti molybdeenidisulfidissa (MoS₂) ja molybdeenidiselenidissä (MoSe₂), lämpö voi käyttäytyä täysin uudella tavalla, joka tunnetaan hydrotermoelastisena kuljetuksena, jossa lämpödiffuusio on erittäin vaikeaa.

Julkaistut löydökset voivat vaikuttaa merkittävästi uusien lämmönhallintastrategioiden kehittämiseen kyseisissä rakenteissa.

Normaaliolosuhteissa lämpö leviää vähitellen kuumilta alueilta kylmille. Ultraohuissa materiaaleissa esiintyy kuitenkin monimutkaisempia vaikutuksia.

Kuten artikkelin ensimmäinen kirjoittaja, tohtori Sebin Varghese, toteaa: "Tuloksemme haastavat perinteisen kuvan diffuusiolämmönsiirrosta ja paljastavat rikkaamman ja monimutkaisemman kuljetusmekanismin ultraohuissa puolijohteissa." Yksi esiintyvistä vaikutuksista on fononihydrodynamiikka, jossa lämpö kulkeutuu kollektiivisesti ja käyttäytyy kuin viskoosi neste. Samalla kuumentaminen aiheuttaa materiaalissa mekaanisia muodonmuutoksia, jotka vaikuttavat myös lämmön liikkumiseen. Vaikka tällaiset vaikutukset olivat jo tiedossa, niitä ei ollut koskaan havaittu tämän tyyppisissä materiaaleissa.

Näiden ilmiöiden vuorovaikutus johtaa odottamattomaan käyttäytymiseen: lämpö etenee paljon ennustettua hitaammin, ja terminen diffuusiokyky pienenee jopa kertaluokan verran.

Kuten tutkimusta johtanut professori Klaas-Jan Tielrooij selittää: ”Eniten meitä yllätti se, että lämpö voi tietyissä olosuhteissa vastustaa kuumalta alueelta poistumista, mikä johtuu lämpövuon osuuksista, jotka osoittavat kylmistä kuumiin alueisiin, eikä tavanomaisesta vuosta, joka osoittaa kuumista kylmiin alueisiin. Tämä avaa täysin uuden tavan hallita lämmönvirtausta luonnostaan ilman, että materiaalin rakennetta tarvitsee muuttaa.”

Tämä löytö tarjoaa uutta perustavanlaatuista tietoa siitä, miten lämpö siirtyy nanoskaalassa, ja voisi tasoittaa tietä uusien toimintojen omaavien elektronisten, fotonisten ja lämpölaitteiden suunnittelulle.

Kyky hallita lämpöä pelkän haihduttamisen sijaan voisi olla ratkaisevan tärkeää tulevaisuuden teknologioille, aina sirujen lämmönhallinnan parantamisesta termoelektristen järjestelmien tehostamiseen.

Aiheesta aiemmin:

Sähkökenttä virittää värähtelyjä helpottaakseen lämmönsiirtoa

Nanoteknistä lämpösähköä kiinteän olomuodon jäähdytyksen