Fizyk z Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu konstruuje nanostuktury, w których dźwięk i ciepło przepływają w sposób ściśle kontrolowany. Wyniki badań opublikowały dwa prestiżowe czasopisma: „Nano Letters” i „Nano Energy”.
Publikacja dr. hab. Bartłomieja Graczykowskiego w Nano Letters dotyczy kontrolowania przepływu dźwięku w nanostrukturach oraz nowych możliwości w zakresie filtrowania fal akustycznych.
– Przepływ sygnałów dźwiękowych o wysokich częstotliwościach przez nanokryształy ma wielkie znaczenie dla dalszego rozwoju telefonii komórkowej i łączności bezprzewodowej. Następczyni technologii 5G, która będzie oparta o przetwarzanie sygnałów o częstotliwościach około kilkuset gigaherców, będzie wymagała dalszej miniaturyzacji lub zupełnie nowej architektury urządzeń – przewiduje poznański naukowiec.
W swojej publikacji proponuje wielopasmowy filtr akustyczny będący kompozytem cienkiej (o grubości 50 nanometrów) membrany z azotku krzemu i dwuwymiarowej sieci samozorganizowanych nanocząstek. Struktura taka jest produkowana prostą metodą z materiałów dostępnych komercyjnie.
– Co ważne, udało nam się zbadać i opisać trzy powiązane ze sobą mechanizmy, odpowiedzialne za filtrowanie sygnałów akustycznych. Dwa z nich były już wcześniej znane – wiążą się one m.in. z ułożeniem, rozmiarami i drganiami własnymi poszczególnych składników układu. Trzeci mechanizm, który opisaliśmy jako pierwsi, jest związany z adhezją, czyli specyficznymi oddziaływaniami pomiędzy powierzchniami przylegających do siebie elementów tego układu. Do opisania tego mechanizmu posłużyły nam dosyć egzotyczne techniki optyczne, w których wykorzystaliśmy unikalny sprzęt sfinansowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej – mówi laureat programów HOMING i FIRST TEAM.
Drugim obszarem zainteresowań poznańskich fizyków jest przepływ ciepła. Zarówno za przepływ dźwięku, jak i ciepła odpowiadają fale mechaniczne, jednak ciepło jest formą energii znacznie trudniejszą do okiełznania.
– Materiały posiadające zdolność zamiany prądu w gradient ciepła, co ma miejsce np. w lodówkach turystycznych, lub odwrotnie – ciepła w prąd – nazywane są materiałami termoelektrycznymi. Możliwość wytwarzania prądu z ciepła może mieć bardzo duże znaczenie, biorąc pod uwagę, że niemal wszystkie urządzenia (choćby komputery czy telefony komórkowe) generują ciepło procesowe i jest to zazwyczaj ciepło odpadowe. Obecnie najbardziej wydajne moduły termoelektryczne produkowane są z materiałów toksycznych i dużym problemem jest ich składowanie po okresie użytkowania. Uważamy, że do budowy modułów termoelektrycznych można by wykorzystać nietoksyczny i łatwy w obróbce krzem. Niestety, krzem ma wysokie przewodnictwo cieple, co przeszkadza w tym, żeby był dobrym materiałem termoelektrycznym. Dlatego postawiliśmy sobie za cel obniżenie przewodnictwa cieplnego krzemu najbardziej jak się da, zachowując przy tym jego przewodnictwo elektryczne – wyjaśnia dr Bartłomiej Graczykowski.
Efektem prac naukowców nad uzyskaniem kontroli nad przepływem ciepła jest skonstruowana przez nich, i przedstawiona w publikacji w Nano Energy, dioda cieplna. Jest to urządzenie, które w jedną stronę przesyła więcej ciepła niż w drugą.
– Stworzyliśmy nanostrukturę, w której została złamana symetria transportu ciepła. Urządzenie to jest zbudowane w całości z krzemu i może być zintegrowane z elektroniką codziennego użytku. Może ono być wykorzystane do efektywnego odprowadzenia ciepła procesowego, pasywnego chłodzenia lub do budowy zaworów cieplnych – mówi dr Graczykowski.
Badania jego zespołu wpisują się w intensywnie rozwijającą się obecnie gałąź nanotechnologii – nanofononikę. Jest to nauka o fononach, czyli kwantach pola akustycznego w układach o rozmiarach od kilku do kilkuset nanometrów.
źródło: FNP