Focus: One-Way Heat Traffic
Published February 26, 2002 | Phys. Rev. Focus 9, 11 (2002) | DOI: 10.1103/PhysRevFocus.9.11
A proposed ‘thermal rectifier’ would conduct heat preferentially in one direction.
Controlling the Energy Flow in Nonlinear Lattices: A Model for a Thermal Rectifier
M. Terraneo, M. Peyrard, and G. Casati
Phys. Rev. Lett. 88, 094302 (2002)
Published February 14, 2002
Figure 1
Getty Images/PhotoDisc
Heat rises. A pot would take forever to boil if the flame were above it, but this simple example of one-way heat flow depends on gravity. Simulations of a one-dimensional crystal suggest a way to channel heat in one direction even without gravity’s help.
Heat normally flows through an object from hot to cold, no matter how it’s oriented. Electric current, on the other hand, can be restricted to one-way flow, as in a rectifier or diode. The 4 March print issue of PRL describes a simple thermal rectifier that might be built from strands of DNA or other unusual materials. According to the researchers’ computer simulations, a crystal lattice whose atoms vibrate in the right way could be worked into a thermal rectifier and perhaps even thermal transistors. Such devices could be useful in both electronics and biotechnology.
The basic theory of heat flow relies upon some simple assumptions at the microscale, such as the idea that atoms vibrate as though they are connected to ideal springs. But researchers would like to better understand how the macroscopic laws of heat arise from the behaviors of real atoms. One hope, says Giulio Casati of Insubria University in Como, Italy, is that with current computational tools, “we can go inside, look at the motion of single atoms and molecules and therefore, at least in principle, control the heat flow.”
Casati and his colleagues studied heat flow through a solid by simulating a chain of oscillating particles–essentially, a one-dimensional crystal. Identical ideal springs vibrate at the same frequency, regardless of their amplitude, so motion (heat) at one end of the chain is easily transmitted down the line, until the temperature is uniform. But if the springs are “anharmonic,” their vibration frequency depends on the amplitude, so motion (and therefore heat energy) is transmitted less efficiently. Team member Michel Peyrard of Ecole Normale Supérieur in Lyon, France, says there are indications that such behavior occurs in DNA molecules.
To make a rectifier, the researchers considered an anharmonic chain sandwiched between two harmonic caps, one with stiff springs–which vibrate at higher frequencies–and the other with more pliable springs. For a large amplitude vibration (high temperature), the atoms in the middle section jiggle slower, and they’re more likely to be in synch with the pliable end. At colder temperatures, the anharmonic chain communicates better with the stiff end. So if the flexible end is given larger oscillations, these shimmy down the line, getting smaller but faster, and heat is transmitted to the stiff end–albeit with imperfect efficiency. But heating the stiff cap forces the anharmonic chain to vibrate at large amplitude and high frequency, which it cannot do well, so the heat flow is inhibited, according to the simulations.
The authors say their result depends on very general principles, so it should apply to three dimensions as well. Peyrard says experimentalists might build a rectifier from DNA or from a “nanostructured” material, constructed one molecule at a time. He imagines that thermal devices could reroute excess heat in a microchip and that a series of thermal transistors might run a microscale “lab-on-a-chip,” where temperature controls biochemical reactions.
The new research is stimulating, says David Campbell of Boston University. Though the basic ideas appear to work in three dimensions, engineers will face some challenges fashioning real compounds into such devices, he says. Campbell sees great strides in the development of new types of crystals, but “I don’t think you’re going to see a thermal rectifier in the Sharper Image catalog next year.”
–JR Minkel
JR Minkel is a freelance science writer in New York City.
โฟกัส : วิธีหนึ่งความร้อนจราจร
ที่ 26 กุมภาพันธ์ , 2002 | ว. . บาทหลวง โฟกัส 9 , 11 ( 2002 ) | ดอย : 10.1103 / physrevfocus . 9.11
การนำเสนอ ' ความร้อน ' จะนำความร้อนแบบ preferentially ในทิศทางเดียว
การควบคุมการไหลของพลังงานในโครงผลึกเชิงเส้น : รูปแบบร้อน rectifier
M terraneo M peyrard และ G . ขาดสติ
ว. . บาทหลวง หนังสือ 88 , 094302 ( 2002 )
ที่ 14 กุมภาพันธ์ 2545รูปที่ 1
photodisc Getty Images / ความร้อนสูงขึ้น หม้อต้มจะใช้ตลอดไปถ้าเปลวไฟอยู่ข้างบน แต่ตัวอย่างนี้ง่าย ๆ การไหลของความร้อน ? ขึ้นอยู่กับแรงโน้มถ่วง ผลของผลึกในแนะนำวิธีการช่องทางความร้อนในทิศทางเดียวไม่มีแรงโน้มถ่วงช่วย
ปกติความร้อนไหลผ่านวัตถุ จากร้อนเป็นเย็น ไม่ว่าอย่างไรมันก็เชิง กระแสไฟฟ้าบนมืออื่น ๆที่สามารถ จำกัด การไหลทางเดียว ในกระแส หรือ ไดโอด 4 พิมพ์มีนาคมปัญหาของ PRL อธิบายง่ายๆแบบที่อาจจะสร้างความร้อนจากเส้นดีเอ็นเอ หรือวัสดุอื่น ๆ ตามที่นักวิจัย ' จำลองคอมพิวเตอร์เป็นแลตทิซผลึกที่มีอะตอมสั่นในทางที่ถูกต้องอาจจะทำงานเป็นกระแสร้อนและบางทีแม้แต่ความร้อน ความเร็ว อุปกรณ์ดังกล่าวจะเป็นประโยชน์ทั้งในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และเทคโนโลยีชีวภาพ
ทฤษฎีพื้นฐานของการไหลของความร้อนขึ้นอยู่กับสมมติฐานบางอย่างง่ายในระดับจุลภาค เช่น ความคิดว่า อะตอมสั่นราวกับว่าพวกเขาเชื่อมต่อกับดีเยี่ยม สปริงแต่นักวิจัยต้องการที่จะเข้าใจวิธีการที่กฎหมายมีความร้อนเกิดขึ้นจากพฤติกรรมของอะตอมจริงๆ หนึ่งความหวัง ว่าโอ insubria ขาดสติของมหาวิทยาลัยใน โคโม , อิตาลี , กับเครื่องมือการคำนวณปัจจุบัน " เราสามารถเข้าไป ดูการเคลื่อนไหวของอะตอมเดี่ยวและโมเลกุล ดังนั้น อย่างน้อยที่สุดในหลักการควบคุมการไหลของความร้อน "
ขาดสติและเพื่อนร่วมงานของเขาได้ศึกษาการไหลของความร้อนผ่านของแข็งโดยจำลองห่วงโซ่ของอนุภาคที่สั่นและถึงแก่น คริสตัลแบบมิติเดียว เหมือนสปริงสั่นเหมาะที่ความถี่เดียวกัน ไม่ว่าขนาดของพวกเขา ดังนั้นการเคลื่อนไหว ( ความร้อน ) ที่ปลายด้านหนึ่งของโซ่ได้ง่ายส่งลงบรรทัด จนมีอุณหภูมิที่สม่ำเสมอ แต่ถ้าเป็น " แอนฮาร์มอนิกพุ ," ความถี่การสั่นสะเทือนของพวกเขาขึ้นอยู่กับแอมพลิจูด ดังนั้นการเคลื่อนไหว ( และดังนั้นพลังงานความร้อน ) ถูกส่งมีประสิทธิภาพน้อย สมาชิกในทีมงานของโรงเรียนปกติ มิเชล peyrard sup é rieur ในลียง , ฝรั่งเศส กล่าวว่า มีข้อบ่งชี้ว่า พฤติกรรมดังกล่าวเกิดขึ้นในดีเอ็นเอของโมเลกุล
เพื่อให้กระแส นักวิจัยพิจารณาแอนฮาร์มอนิกโซ่แซนวิชระหว่างสองฮาร์หมวก ,กับสปริงที่แข็งและสั่นที่ความถี่สูง ) และอื่น ๆที่มีสปริงยืดหยุ่นมากขึ้น สำหรับการสั่นสะเทือนขนาดใหญ่ ( อุณหภูมิสูง ) , อะตอมในส่วนตรงกลางหมุนช้าลง และพวกเขามีแนวโน้มที่จะเป็นในซิงค์กับปลายยืดหยุ่น ที่อุณหภูมิเย็น , โซ่แอนฮาร์มอนิกสื่อสารที่ดีกับปลายแข็งถ้าจบแบบยืดหยุ่นได้รับการสั่นขนาดใหญ่เหล่านี้สั่นลงบรรทัด มีขนาดเล็กลง แต่เร็วกว่า และความร้อนจะถูกส่งผ่านไปยังปลายแข็ง–แม้ว่าด้วยประสิทธิภาพที่ไม่สมบูรณ์ แต่ความร้อนหมวกแข็งบังคับโซ่แอนฮาร์มอนิกการสั่นที่แอมพลิจูดขนาดใหญ่และความถี่สูง ซึ่งไม่สามารถทำได้ ดังนั้นการไหลของความร้อนคือยับยั้งตาม
จำลอง .ผู้เขียนกล่าวว่าผลของพวกเขาขึ้นอยู่กับหลักการทั่วไปมาก ดังนั้นจึงควรใช้ 3 มิติได้เป็นอย่างดี peyrard บอกว่า experimentalists อาจสร้างกระแสจากดีเอ็นเอ หรือจากวัสดุ " nanostructured " สร้างหนึ่งโมเลกุลในเวลาเขาจินตนาการว่าอุปกรณ์ระบายความร้อนสามารถปรับความร้อนส่วนเกินในไมโครชิปและชุดของทรานซิสเตอร์ความร้อนอาจใช้จุลภาค " lab-on-a-chip " ที่อุณหภูมิการควบคุมปฏิกิริยาชีวเคมี
วิจัยใหม่กระตุ้น ว่าเดวิดแคมป์เบลของมหาวิทยาลัยบอสตัน แม้ว่าความคิดพื้นฐานที่ปรากฏในงานสามมิติวิศวกรจะเผชิญความท้าทายบางอย่างการทำสารประกอบจริงลงในอุปกรณ์ เช่น เขากล่าว แคมป์เบลเห็นความก้าวหน้าอย่างมากในการพัฒนารูปแบบใหม่ของผลึก แต่ผมไม่คิดว่าคุณจะเห็นกระแสความร้อนในแคตตาล็อกภาพคมชัดปีหน้า "
minkel –เจอาร์เจอาร์ minkel เป็นฟรีแลนซ์นักเขียนวิทยาศาสตร์ในนิวยอร์ก
การแปล กรุณารอสักครู่..
