Mejor conductividad térmica al ajustar la disposición de los átomos

22.07.2019 - Suiza

El ajuste de la conductividad térmica de los materiales es uno de los retos a los que se enfrenta actualmente la nanociencia. Junto con colegas de los Países Bajos y España, investigadores de la Universidad de Basilea han demostrado que las vibraciones atómicas que determinan la generación de calor en los nanocables pueden ser controladas mediante la disposición de los átomos solamente.

En la industria electrónica e informática, los componentes son cada vez más pequeños y potentes. Sin embargo, hay problemas con la generación de calor. Por lo tanto, es importante examinar detenidamente las ondas portadoras de calor, conocidas como fonones, y comprender su comportamiento en los materiales. En la actualidad, la investigación va incluso un paso más allá y está diseñando específicamente materiales que pueden utilizarse para controlar la propagación de los fonones. Uno de los objetivos es producir materiales que liberen calor muy rápidamente y, por lo tanto, calentar lo menos posible. Otra es mantener las diferencias de temperatura durante el mayor tiempo posible a fin de utilizarlas para la generación de energía.

Mejora de la propagación mediante la rotación

Encabezado por la profesora Ilaria Zardo, el grupo del Departamento de Física de la Universidad de Basilea y del Instituto Suizo de Nanociencia examinó materiales con propiedades específicas para la transmisión y dispersión de fonones. Como parte de una colaboración internacional liderada por Zardo, los nanocientíficos pudieron demostrar por primera vez que la disposición de los átomos por sí sola influye en los fonones y, por lo tanto, en la conductividad térmica.

Con este fin, los investigadores produjeron nanocables de fosfuro de galio en los que las sucesivas capas de cristal se rotan periódicamente entre sí en 60 grados. Esta disposición forma una superestructura en la que los fonones se propagan de forma coherente, conduciendo así el calor de forma muy efectiva.

Interfaces sin defectos

Anteriormente, estas superestructuras se fabricaban a partir de capas dispuestas periódicamente de diferentes materiales. Sin embargo, las interfaces entre los diferentes materiales a menudo no están perfectamente definidas, y se producen defectos que reducen masivamente la propagación de los fonones y, por lo tanto, la conductividad térmica.

En sus investigaciones recientes, los investigadores demostraron que tales efectos de interferencia no ocurren si el material de las capas es idéntico pero la disposición de los átomos es diferente. Y aunque las capas consisten en el mismo material, las propiedades fonónicas sólo cambian a través de la rotación de las capas una contra la otra. Hasta ahora no estaba claro si estos novedosos sistemas se comportan como las superredes convencionales.

El estudio es una colaboración entre el Departamento de Física de la Universidad de Basilea, el Instituto Suizo de Nanociencia (SNI), la Universidad Tecnológica de Eindhoven, la Universidad Autónoma de Barcelona y el Institut de Ciència de Materials de Barcelona.

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Publicación original

Marta De Luca, Claudia Fasolato, Marcel A. Verheijen, Yizhen Ren, Milo Y. Swinkels, Sebastian Kölling, Erik, P. A. M. Bakkers, Riccardo Rurali, Xavier Cartoixà, Ilaria Zardo; "Phonon Engineering in Twinning Superlattice Nanowires"; Nano Letters; 2019

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