El mapeo vibracional de nanoestructuras es indispensable para el desarrollo y la comprensión de los nanodispositivos térmicos, la modulación del transporte térmico y los nuevos materiales termoeléctricos nanoestructurados. A escala atómica, el calor se transporta en los materiales sólidos como una ola de átomos desplazados de su posición de equilibrio. En los cristales, con una estructura atómica ordenada, estas ondas se denominan fonones: paquetes de ondas de desplazamientos atómicos que transportan energía térmica. En el reciente artículo Nanoscale imaging of phonon dynamics by electron microscopy (Nature), utilizando microscopios electrónicos y técnicas novedosas, un equipo de investigadores de la Universidad de California en Irvine, el Instituto Tecnológico de Massachusetts y otras instituciones, ha encontrado una manera de mapear fonones (vibraciones en redes cristalinas) a nivel de resolución atómica, para una comprensión más profunda de la forma en que el calor viaja a través de puntos cuánticos (nanopartículas de semiconductores generalmente con diámetros menores a 10 nm con capacidad de emitir radiación fluorescente cuando son iluminados).
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Crédito: Chaitanya Gadre, Xingxu Yan, Xiaoqing Pan / UCI |
Los investigadores probaron el comportamiento dinámico de los fonones cerca de un solo punto cuántico de silicio-germa-nio usando espectroscopía de pérdida de energía de electrones vibratorios en un microscopio electrónico de transmisión. Descubrieron que la aleación de SiGe presentaba una estructura desordenada en su composición impidiendo la propagación eficiente de los fonones. Al estar los átomos de silicio más juntos con relación a los átomos de germanio en sus respectivas estructuras puras, la aleación estira un poco los átomos de silicio originando una tensión que suaviza los fonones en el punto cuántico. Los fonones suavizados tienen menos energía, cada fo-nón, como resultado, transporta menos calor originando una menor conductividad térmica. Un campo probable benefi-ciario de esta investigación es la termoeléctrica: sistemas de materiales capaces de convertir el calor en electricidad. Los desarrolladores de tecnologías termoeléctricas se esfuerzan por diseñar materiales tanto que impidan el transporte térmico como que promuevan el flujo de cargas. Para ello necesitan el conocimiento a nivel atómico de cómo se transmite el calor a través de sólidos conteniendo fallas, defectos e imperfecciones. Más del 70 por ciento de la energía producida por las actividades humanas es calor, por lo que es imperativo encontrar una manera de reciclarlo en una forma utilizable, preferiblemente electricidad para alimentar las crecientes demandas de energía de la humanidad.
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