عايق‌هاي حرارتي بهتر با کنترل ساختار
همانگونه که در 13 فوريه در مجلة Science گزارش شد، محققان با کنترل ساختار مواد در مقياس نانو، موفق به ساخت عايق‌هاي حرارتي بهتري شده‌اند.
ديويد کاهيل استاد علوم و مهندسي مواد دانشگاه ايلينوي در آورباناشامپاين گفت: "ما راه‌هايي را به منظور کنترل خواص حرارتي مواد با استفاده از نانوساختارها پيدا کرديم و دريافتيم که با ساخت نانوورقه‌هايي از مواد غيرمشابه مي‌توان رسانش گرمايي را ه ميزان قابل توجهي کاهش دهيم، زيرا گرما نمي‌تواند در فصل مشترک مواد به‌خوبي منتقل شود."
کاهيل به همراه همکارانش در دانشگاه کلورادو، ابتدا به کمک لايه‌نشاني اتمي و رسوب‌دهي اسپاتر مگنترون، نانولايه‌هاي نازکي از لايه‌هاي متناوب تنگستن و اکسيد آلومينيوم را سنتز نمودند. آنها هدايت حرارتي اين نانوورقه‌ها را با استفاده از روشي به نام "بازتاب حرارتي در بازة زماني (1)" اندازه گرفتند.
کاهيل گفت: "بازتاب حرارتي يک فلز تابع دقيقي از دماي آن است. با اندازه‌گيري سرعت تغييرات بازتاب و درنتيجه تغييرات دما مي‌توانيم رسانش حراتي آن را تعيين کنيم. محققان براي اندازه‌گيري دماي چنين نمونه‌هاي کوچکي، از يک ليزر يک‌وضعيتي (2) فوق‌العاده سريع استفاده نموده‌اند که يک سري پالس‌هاي کمتر از پيکوثانيه‌اي توليد مي‌کند. خروجي اين ليزر به دو قسمت پرتو شاهد (3) و پرتو پروب (4) تقسيم مي‌شود. پرتو شاهد، نمونه را گرم کرده و پرتو پروب، بازتاب و درنتيجه تغييرات دما را اندازه مي‌گيرد."
کاهيل گفت: "باساخت لايه‌هاي منفرد به ضخامت تنها چندنانومتر، موادي نانوورقه‌اي توليد کرديم که هدايت حرارتي آنها سه برابر کمتر از عايق‌هاي متداول است. چگالي بالا در فصل مشترک، مانع بزرگي بر سر راه هدايت حرارتي است."
شار گرمايي از يک ماده به ماده ديگر به فصل مشترک محدود مي‌شود. گرما از طريق ارتعاش اتم‌هاي شبکه منتقل مي‌شود. برخي از اين ارتعاشات شبکه‌اي در فصل مشترک پخش‌شده، از آن عبور نمي‌کنند.
کاهيل گفت: "در نانوورقه‌هاي ما، ارتعاشات در يک ماده به خوبي با ارتعاشات ماده ديگر ارتباط برقرار نمي‌کند. اتم‌هاي سنگين تنگستن تقريباً به‌کندي مرتعش مي‌شوند. اما اتم‌هاي سبک اکسيد آلومينيوم به‌سرعت مرتعش مي‌شوند. اين اختلاف در خواص کشسان و چگالي حالت‌هاي ارتعاشي مانع از انتقال انرژي ارتعاش در طول فصل مشترک مي‌شود. نتايج تجربي نشان مي‌دهند که مواد طراحي‌شده با تراکم بالاي فصل مشترک امکان توليد عايق‌هاي حرارتي با رسانش حرارتي بسيار کم را فراهم مي‌سازند. همچنين يافته‌هاي محققين را مي‌توان در نانوموادي بکار برد که قرار است به عنوان رساناهاي حرارتي در کاربردهايي مثل خارج ساختن گرما از مدارهاي الکترونيک يا حسگرها به کار روند.
به عنوان مثال، نانولوله‌هاي کربني که داراي هدايت حرارتي بالايي هستند، نمي‌توانند پرکننده‌هاي خوبي براي بهبود انتقال حرارت در مواد کامپوزيت باشند.
کاهيل گفت: "نانولوله‌ها از نظر حرارتي با محيط اطراف خود به‌خوبي جفت نمي‌شوند، در نتيجه انتقال گرما در فصل مشترک ماتريس‌‌هاي نانولوله‌‌اي بسيار محدود خواهد بود. "
وزارت انرژي و بنياد ملي علوم آمريکا، حمايت مالي اين تحقيق را بر عهده داشته‌اند.