Vibrațiile atomilor dintr-un material, cunoscute sub numele de „fononi”, sunt purtătorii principali ai energiei termice în solide. Dar atunci când două materiale diferite intră în contact – așa cum se întâmplă în cipurile electronice moderne – transferul căldurii între ele devine o adevărată provocare.
De ce? Pentru că fononii nu trec ușor dintr-un material în altul. La interfață, ei tind să se ciocnească, să se reflecte sau să se împrăștie în loc să circule liber. Acest fenomen poartă numele de „rezistență termică interfacială” (eng. interfacial thermal resistance), iar efectul său este acela de a bloca fluxul de căldură, ceea ce duce la supraîncălzire și scăderea performanței echipamentelor.
O provocare tehnică: măsurarea căldurii la nivel de nanometri
Până acum, cercetătorii nu au reușit să observe direct cum se comportă căldura la scară atomică. Temperaturile implicate sunt extrem de mici, iar distanțele – de ordinul nanometrilor – sunt mult prea mici pentru metodele tradiționale de măsurare.
Totuși, într-o realizare științifică de excepție, o echipă de la Universitatea Peking din China a reușit să „vadă” pentru prima dată cum se deplasează căldura la interfața dintre două materiale, la nivel atomic.
| Citește și: Care este diferența dintre căldură și temperatură?
Electronii devin detectivi ai căldurii
Cum au făcut acest lucru? Cu ajutorul unei tehnici avansate de microscopie electronică. În loc să folosească fasciculul de electroni doar pentru a obține imagini, cercetătorii au urmărit cum și cât de repede își pierd energia electronii în timp ce interacționează cu fononii (cu vibrațiile atomice care transportă căldura).
Ei au creat un dispozitiv special, cu două materiale comune în electronică de mare putere: nitrură de aluminiu (AlN) și carbură de siliciu (SiC). Au aplicat un gradient termic controlat – o diferență de temperatură de 180 Kelvin pe micrometru – și au urmărit cu o rezoluție sub-nanometrică modul în care se deplasează căldura între cele două materiale.
Descoperirea: un blocaj de căldură la scară atomică
Rezultatele au fost uimitoare. La interfața dintre AlN și SiC, cercetătorii au observat o creștere bruscă a temperaturii cu 10–20 Kelvin pe o distanță de doar doi nanometri. Ca termen de comparație, în interiorul unui material omogen precum AlN sau SiC, o variație similară de temperatură ar necesita zeci sau sute de nanometri.
Această constatare înseamnă că rezistența termică la interfață este de 30 până la 70 de ori mai mare decât în materialele propriu-zise. Cu alte cuvinte, exact în locul unde două materiale se ating – și unde trebuie să treacă în fapt căldura – are loc cea mai mare blocare a acesteia.
Fononi „dezechilibrați” și comportamente neașteptate
În plus, cercetătorii au descoperit că, în apropierea interfeței (pe o distanță de aproximativ 3 nanometri), fononii se aflau într-o stare de dezechilibru. În mod normal, fononii respectă o distribuție matematică previzibilă (cunoscută sub numele de distribuție Bose-Einstein), dar în această zonă, comportamentul lor era cu totul diferit.
Asta înseamnă că nu doar căldura este încetinită sau blocată, ci și că forma și modul de propagare al fononilor se schimbă radical la nivelul interfeței. Când cercetătorii au inversat direcția fluxului de căldură, au observat și cum se modifică tipurile de fononi implicați – semn că interfața nu doar încetinește fluxul, ci îl „remodelează”.
De ce contează această descoperire
Pentru dispozitivele electronice moderne, unde componentele sunt din ce în ce mai mici și mai apropiate, gestionarea căldurii este esențială. Dacă nu putem evacua eficient căldura, performanțele scad, iar durata de viață a componentelor se reduce.
Această cercetare oferă o nouă unealtă inginerilor și fizicienilor pentru a înțelege și controla fluxul de căldură la scară atomică. Nu doar pentru cipuri mai eficiente, ci și pentru dispozitive cuantice, baterii, senzori nanoscalari și alte tehnologii de vârf.
Ce urmează?
Deocamdată, metoda funcționează pe interfețe create în condiții controlate de laborator. Dar cercetătorii speră să o extindă și la materiale mai complexe, inclusiv la cele care conțin defecte sau structuri atomice neuniforme.
Această descoperire nu este doar o victorie a microscopiei electronice, ci și o lecție importantă: în lumea atomilor și cele mai mici obstacole pot avea efecte uriașe.
Studiul a fost publicat în prestigioasa revistă Nature și deschide calea pentru o nouă eră în înțelegerea și controlul căldurii la scară atomică.
Sursa: InterestingEngineering
