Dr hab. Bartłomiej Graczykowski, laureat programów HOMING i FIRST TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, konstruuje nanostuktury, w których dźwięk i ciepło przepływają w sposób ściśle kontrolowany. Struktury te mają potencjalnie wiele różnych praktycznych zastosowań, przykładowo mogą zostać wykorzystane m.in. do błyskawicznego przesyłu ogromnych ilości informacji czy do bezpośredniej zamiany ciepła w prąd. Wyniki badań dr. Graczykowskiego zostały w tym roku opublikowane w dwóch prestiżowych czasopismach: Nano Letters i Nano Energy.
Publikacja 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. W naszej publikacji proponujemy 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 po raz pierwszy, 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 dr hab. Bartłomiej Graczykowski z Wydziału Fizyki Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu.
Zamiana ciepła w prąd
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.
Krzemowa dioda cieplna
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.
Fononika ? nauka wielu możliwości
Badania zespołu dr. Bartłomieja Graczykowskiego 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. Więcej o dokonaniach poznańskich naukowców w obszarze nanofononiki można przeczytać w pracy przeglądowej opublikowanej przez nich w czasopiśmie Advanced Functional Materials w 2019 roku.
Badania były realizowane w ramach programu FIRST TEAM (konkurs 5/2018) Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Wcześniej prace były także prowadzone w ramach grantu w programie HOMING (konkurs 1/2016).
Źródła:
- Multiband Hypersound Filtering in Two-Dimensional Colloidal Crystals: Adhesion, Resonances, and Periodicity. Nano Letters 2020, 20, 1883-1889
- High-temperature silicon thermal diode and switch. Nano Energy 2020, 78, 105261
- 2D Phononic Crystals: Progress and Prospects in Hypersound and Thermal Transport Engineering. Advanced Functional Materials 2019, 1904434
Więcej informacji:
Program HOMING jest realizowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej ze środków UE pochodzących z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój, oś IV: Zwiększenie potencjału naukowo-badawczego, Działanie 4.4 Zwiększanie potencjału kadrowego sektora B+R.
Program FIRST TEAM jest realizowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej ze środków UE pochodzących z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój, oś IV: Zwiększenie potencjału naukowo-badawczego, Działanie 4.4 Zwiększanie potencjału kadrowego sektora B+R.
