Jak kontrolować przepływ ciepła? Projekt z Wydziału Fizyki PW z dofinansowaniem NCN

Na Politechnice Warszawskiej rozpoczynają się badania nad nowym sposobem kontrolowania przepływu ciepła. Projekt „Dwuwymiarowe heterostruktury van der Waalsa o asymetrycznym transporcie ciepła” realizuje zespół z Wydziału Fizyki pod kierownictwem prof. dr. hab. inż. Mariusza Zdrojka. Projekt został wyróżniony w konkursie OPUS 29 Narodowego Centrum Nauki i otrzymał dofinansowanie w wysokości 2 331 500 zł.

Problem zarządzania ciepłem ma duże znaczenie dla współczesnych technologii. Przegrzewanie się urządzeń elektronicznych czy straty energii w systemach energetycznych ograniczają ich wydajność. Mimo że przepływem prądu elektrycznego potrafimy sterować od dawna, kierunkowa kontrola przepływu ciepła nadal pozostaje wyzwaniem naukowym. Na to zagadnienie odpowie projekt „Dwuwymiarowe heterostruktury van der Waalsa o asymetrycznym transporcie ciepła”, realizowany na Wydziale Fizyki Politechniki Warszawskiej pod kierownictwem prof. dr. hab. inż. Mariusza Zdrojka. Partnerem projektu jest Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk.

W ramach badań zespół planuje wykorzystać inżynierię materiałową w skali atomowej, aby opracować nowe metody kontrolowania przepływu ciepła. Celem projektu jest stworzenie nanourządzeń, które będą działać jak „zawory jednokierunkowe”. Do ich budowy wykorzystane zostaną materiały dwuwymiarowe, czyli struktury o grubości kilku atomów. Te nanometrowo cienkie warstwy, układane jak ultradokładne klocki LEGO, mogą zrewolucjonizować sposób zarządzania ciepłem w elektronice, systemach energetycznych i nie tylko.

Podstawą badań będą heterostruktury van der Waalsa, czyli sztucznie zaprojektowane stosy różnych materiałów dwuwymiarowych. Materiały te różnią się właściwościami drgań sieci atomowej. Po odpowiednim doborze warstw i ułożeniu ich jedna na drugiej możliwe będzie stworzenie warunków, w których ciepło będzie przepływać łatwiej w jednym kierunku niż w drugim, co określa się jako efekt diody termicznej, czyli asymetryczny przepływ ciepła.

Obraz (old)

Badacze planują łączyć materiały zawierające cięższe pierwiastki z lekkimi materiałami, takimi jak grafen, aby zwiększyć różnice w drganiach sieci atomowej. Do budowy struktur wykorzystane zostaną zaawansowane techniki nanotechnologiczne, m.in. deterministyczny transfer i litografia wiązką elektronów, które pozwalają tworzyć bardzo precyzyjne interfejsy między warstwami. Naukowcy będą także obracać monowarstwy pod określonymi kątami oraz stosować mikroskopijne naprężenia, aby regulować sposób przewodzenia ciepła.

Projekt obejmuje również budowę prototypowych nanourządzeń elektronicznych. Najpierw przeprowadzone zostaną symulacje kwantowo-mechaniczne, które pozwolą wskazać najbardziej obiecujące konfiguracje materiałów. Następnie w warunkach podwyższonej czystkości powstaną struktury wyposażone w mikroskopijne grzałki i czujniki, umożliwiające badanie transportu ciepła w bardzo małej skali. Ostatnim etapem będą precyzyjne pomiary przepływu ciepła z wykorzystaniem spektroskopii Ramana i termometrii elektrycznej.

Wyniki badań mają doprowadzić do powstania prototypu nanourządzenia wykazującego asymetryczny przepływ ciepła oraz do opracowania zasad projektowania struktur, w których właściwości cieplne można dostrajać poprzez dobór materiałów, grubość warstw czy kąty ich skrętu. W przyszłości takie rozwiązania mogą pomóc w projektowaniu bardziej wydajnych układów elektronicznych oraz nowych technologii zarządzania energią cieplną.

Autorami projektu są: prof. Mariusz Zdrojek, dr Arkadiusz Gertych i dr Konrad Wilczyński. Do zespołu badawczego dołączyli również mgr Leo Sagan (doktorantka) oraz dr Syed Hassan Abbas Jaffery (postdoc).