Badania

Okiełznać ciepło, ujarzmić dźwięk

Opublikowano: 2020-10-13

forum akademickie
Źródło: www.fnp.org.pl

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


PARTNERZY

forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie