W ciałach stałych ciepło jest przenoszone głównie przez fonony – kwantowe drgania sieci atomowej. Naukowcy jednak od dawna wiedzą, że gdy takie drgania natrafiają na granicę między dwoma różnymi materiałami, przepływ ciepła nie zachowuje się tak, jak wewnątrz jednego ciała stałego. Zamiast swobodnie przepływać, fonony ulegają rozproszeniu lub odbiciu, co prowadzi do powstania tzw. międzyfazowego oporu cieplnego. Jest to spory problem, bowiem zjawisko to ogranicza wydajność cieplną urządzeń elektronicznych, zwiększając ryzyko ich przegrzania.
Jak dotąd stosowane przez naukowców techniki pomiarowe nie pozwalały uchwycić tych subtelnych zjawisk z odpowiednią precyzją. Zmiany temperatury w skali nanometrów znajdowały się bowiem poza naszym zasięgiem. W odpowiedzi na to ograniczenie chiński zespół opracował specjalne urządzenie, umożliwiające stworzenie kontrolowanego przepływu ciepła pomiędzy dwoma popularnymi materiałami wykorzystywanymi w elektronice: azotkiem glinu (AlN) i węglikiem krzemu (SiC).
Czytaj także: Ciepło zamienione w prąd. Dzięki temu materiałowi dokonano niemożliwego
Badacze wygenerowali bardzo stromy gradient temperatury – aż 180 kelwinów na mikrometr – na granicy tych dwóch materiałów. Następnie, wykorzystując zaawansowaną technikę spektroskopii strat energii elektronów (EELS), zdołali zarejestrować interakcje elektronów z wibrującymi atomami.
Mówiąc prościej: strumień elektronów posłużył jako swoisty czujnik przepływu ciepła w nanoskali.
Wyniki były zaskakujące. Na granicy między dwoma materiałami temperatura wzrastała o 10–20 kelwinów na przestrzeni zaledwie dwóch nanometrów. Dla porównania, w jednorodnym materiale taki wzrost temperatury wymagałby dziesiątek lub nawet setek nanometrów. To oznacza, że opór cieplny na interfejsie jest od 30 do 70 razy większy niż w obrębie jednorodnych obszarów materiału.
Analiza wykazała również, że w pobliżu samej granicy fonony zachowywały się w sposób nietypowy. Zamiast rozkładać energię zgodnie z klasycznym rozkładem Bosego-Einsteina, były one w stanie nierównowagi – co sugeruje, że interfejs znacząco wpływa na ich dynamikę. Co więcej, gdy naukowcy odwrócili kierunek przepływu ciepła, zauważyli, że fonony nie tylko spowalniały, ale również ulegały rozproszeniu.
Czytaj także: Tak wygląda Mars w podczerwieni. Zdjęcie zrobiła sonda lecąca do Jowisza
Po raz pierwszy zatem w historii naukowcy mają możliwość wykonywania bezpośrednich pomiarów przepływu ciepła między dwoma materiałami w niespotykanej dotąd rozdzielczości rzędu pojedynczych nanometrów. To przełomowe narzędzie może stać się podstawą przyszłych badań nad zarządzaniem energią w skali nano – od półprzewodników i ogniw słonecznych po zaawansowane czujniki i systemy chłodzenia.
Warto jednak podkreślić, że to dopiero początek badań tego typu. Jak dotąd udało się przeprowadzić bowiem pomiary w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych i na precyzyjnie przygotowanych materiałach. Teraz pora wejść na wyższy poziom i rozszerzyć badania na bardziej złożone struktury, które będą także cechowały się zanieczyszczeniami, defektami struktury krystalicznej, tak jak to ma zwykle miejsce w masowo wykorzystywanej elektronice użytkowej.