Физики научились следить за передачей тепла на атомном уровне

22 апреля 2012 года

Американские физики разработали методику, которая позволяет управлять скоростью передачи тепла между двумя фрагментами материи на атомном уровне, что позволит лучше понять эти процессы и в перспективе поможет улучшить охлаждение современных кремниевых микросхем, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Materials.

Группа ученых под руководством Марка Лосего (Mark Losego) из университета штата Иллинойс в городе Урбана (США) изучала процесс передачи тепла внутри различных материалов, пытаясь найти механизмы, управляющие этим процессом.

"Тепло путешествует через материю в виде так называемых фононов, которые представляют собой коллективные вибрации атомов, проходящие через вещество в виде волн. И по сравнению с тем, что мы знаем о движении электрического тока или света, наше понимание того, как передвигается тепло, крайне ограничено", - пояснил участник исследования Дейвид Кэйхилл (David Cahill) из университета штата Иллинойс в городе Урбана (США).

ПОВЕЛИТЕЛИ ТЕПЛА

Как отмечают Лосего и его коллеги, изучение всех тепловых процессов сильно ограничено чувствительностью инструментов, не позволяющих быстро и точно измерять температуру в нано- и микромасштабах. Даже самые точные и быстрые лазерные "термометры" не позволяют достичь необходимой точности измерений.

Физики решили это проблему при помощи своеобразного молекулярного "бутерброда", теплопроводность которого гибко меняется в зависимости от его химического состава.

Данное устройство представляет собой "сэндвич" из двух пластинок из кварца и золота, которые соединены между собой при помощи длинных углеводородных хвостов. На одном конце нити находится атом кремния, на другом - один из нескольких соединительных "элементов". В их число входили атом брома, радикалы сероводорода, метана, аммиака и других органических молекул.

Теплоизмерительный прибор изготовлялся следующим образом. Сначала ученые подготовили пластинку кварца, на которую наносился раствор из молекул-"хвостов". Такие молекулы прикреплялись своими кремниевыми концами к поверхности пластины и поднимались над ними в виде углеводородного "леса". Затем физики приклеивали на половинку "сэндвича" его вершину, золотую пленку, при помощи термопечати.

ТЕПЛОВОЙ БУТЕРБРОД

Молекулы или атомы на свободных концах углеводородных "хвостов" присоединялись к золотой пленке. В зависимости от типа молекулы, каждая нить соединялась с золотой пластинкой одной, двумя или тремя связями. Это позволило исследователям изучить процесс теплопередачи с атомной точностью.

Оказалось, что даже небольшие изменения в структуре "хвостов" крайне сильно влияли на теплопроводность бутерброда. К примеру, "хвост" с радикалом сероводорода примерно в два раза лучше проводил тепло по сравнению со своим метановым собратом. Ученые объясняют это тем, что радикал сероводорода соединяется с золотом прочной ковалентной связью, а молекула метана - непрочной водородной.

В некоторых других случаях разница в теплопроводности достигала значений гораздо больших, чем предсказывала теория. Это показало, что характер связи между двумя поверхностями играет большую роль, чем считалось ранее.

"Физические модели передачи тепла много лет игнорировали атомные структуры на поверхности контакта между двумя материалами. Теперь эти теории следует уточнить. Наша методика поможет определить то, насколько тип связей между поверхностями влияет на передачу тепла и станет инструментом для проверки новых теорий", - заключает Кэйхилл.