Lämmönjohtumista voi kontrolloida nanorakenteiden avulla

Lämmönjohtuminen on tuttu ilmiö: Saunan puisilla lauteilla voi istua sadan asteen lämpötilassa aivan mukavasti, mutta entä jos kosketat metallista naulaa samassa lämpötilassa! Tuntemusten ero johtuu siitä, että esimerkiksi metallit johtavat erittäin hyvin lämpöä, kun taas puu ei. Yleisesti lämmönjohtumista pidetään aineelle ominaisena suureena. Jyväskylän yliopiston nanotiedekeskuksen tutkijat ovat ensimmäistä kertaa osoittaneet, että aineen lämmönjohtumista on mahdollista myös muuttaa nanoskaalan rakenteiden avulla. Tämä perustuu lämmön kulkeutumiseen aaltoina. Tutkimustyön tulokset julkaistiin 19.3 2014 kansainvälisessä arvostetussa Nature Communications -lehdessä.  Tutkimusta johti fysiikan professori Ilari Maasilta, ja se oli Suomen Akatemian rahoittama.

Teoreettisesti on tunnettu hyvin kauan, että lämmön voidaan ajatella muodostuvan aineessa monien erilaisten aaltojen liikkeestä; atomit värähtelevät mutta eivät täysin satunnaisesti. Nämä pienet aaltopaketit seuraavat kuitenkin kvanttimekaniikan lakeja, mikä lämpöliikkeen tapauksessa johtaa siihen, että suurin osa värähtelyenergiasta esiintyy tietyllä aallonpituusalueella, joka riippuu lämpötilasta. Tilanne on hyvin samanlainen lämpösäteilyssä, jonka aaltopaketteja tai hiukkasia kutsutaan fotoneiksi; materiaalivärähtelyjen tapauksessa niitä kutsutaan fononeiksi. Fononien olemassaolon ennusti jo Albert Einstein yli sata vuotta sitten.

Fononien aaltoluonnetta ei ole käytetty hyödyksi lämmönsiirron kontrolloinnissa aikaisemmin. Tähän asti lämmönjohtavuutta on muutettu lisäämällä aineen sisälle toista materiaalia – esimerkiksi nanopartikkeleina – taikka muuttamalla pinnan karheutta, jolloin fononit ikään kuin törmäilevät esteisiin ja johtavat huonommin lämpöä. Nyt tutkimuksessa on ensi kertaa todennettu, että fononien lämmönjohtumista voidaan muuttaa hyvin voimakkaasti, mikä perustuu myös niiden aalto-ominaisuuksiin. Tämä tapahtui siten, että valmistettiin nanoskaalan verkkorakenne, niin sanottu fononikide, jonka pituusmittakaava on samaa luokkaa kuin lämpöä kuljettavien fononien aallonpituus eli noin mikrometrin.  Tällöin fononiaallot vuorovaikuttavat hyvin voimakkaasti rakenteen kanssa ja muuttavat etenemisnopeuttaan lähes kertaluokalla. Koska aallot etenevät paljon hitaammin, on lämmönjohtavuus myös paljon pienempi. Kokeet tehtiin lähellä absoluuttista nollapistettä, jotta fononien aallonpituus olisi tarpeeksi pitkä verkkorakenteen valmistamisen mahdollistamiseksi.

Jatkossa osoitettua ideaa voidaan kenties hyödyntää monella tavalla. Matalissa lämpötiloissa sovelluksia on suoraan erittäin herkkien säteilyilmaisinten kehitystyössä, joissa lämmön kontrollointi on oleellinen kysymys. Tällaista soveltavaa työtä tehdään myös professori Maasillan ryhmässä. Jos idea saadaan toimimaan myös huoneenlämpötilassa, voi sillä olla suurta merkitystä parempien lämpösähköisten elementtien kehitystyössä, joiden avulla hukkalämmöstä voidaan tulevaisuudessa tuottaa täysin puhdasta sähköä.   

Artikkeli: Nobuyuki Zen, Tuomas A. Puurtinen, Tero J. Isotalo, Saumyadip Chaudhuri, and Ilari J. Maasilta, Nature Communications 5, 3435 doi:10.1038/ncomms4435 (2014).

Lisätietoja:
Professori Ilari Maasilta, maasilta@jyu.fi; +358 40 805 4098
Fysiikan laitos ja Nanotiedekeskus, Jyväskylän yliopisto

Lisää tutkimusryhmästä: https://www.jyu.fi/fysiikka/en/research/material/nanophys/thermal

kuvateksti:
Elektronisuihkulitografian avulla piinitridistä (SiN) valmistettu fononikidenäyte. Vihreä alue: SiN, siniset+punaiset viivat: alumiini- ja kuparilangat lämmön tuottamista ja mittaamista varten, mustat alueet: reikiä.