Η δύναμη που ωθεί τα άτομα από τη θερμή πλευρά στην ψυχρή πλευρά ενός υλικού αποδεικνύεται από τη συνεχή έλξη μοτίβων μικροκλίμακας σε μια επιφάνεια. Όταν υπάρχει σημαντική διαφορά θερμοκρασίας σε ένα μικροκύκλωμα σε μια συσκευή όπως ένα κινητό τηλέφωνο, τα άτομα μπορούν να μεταναστεύσουν και τελικά να οδηγήσουν σε κακές ηλεκτρικές συνδέσεις. Επί του παρόντος, αυτή η παρακολούθηση μικροκλίμακας, που ονομάζεται θερμομετανάστευση, έχει δείξει μια δύναμη που προκαλείται από τη διάχυση ως τον κινητήριο παράγοντα της κίνησης. Οι επιστήμονες εξέτασαν ρηχές κοιλότητες, ή «λεκάνες», που σχηματίστηκαν στην επιφάνεια μιας τετράγωνης γκοφρέτας πυριτίου που θερμαινόταν στη μία πλευρά και ψύχθηκε από την άλλη. Παρακολούθησαν τα άτομα να κινούνται ως αποτέλεσμα της διαφοράς θερμοκρασίας καθώς κινούνταν στις λεκάνες.
Άλλοι ερευνητές ενδέχεται να αναπτύξουν νέες στρατηγικές για τη ρύθμιση της ανάπτυξης των νανοδομών με τη βοήθεια της εξαγόμενης δύναμης και του γενικού χαρακτηρισμού της διαδικασίας.
Η κλίση (διαφορά θερμοκρασίας) μεταξύ δύο τοποθεσιών επηρεάζει το πόσο γρήγορα μετακινείται η θερμομετανάστευση από τη μια περιοχή στην άλλη. Σύμφωνα με το Leroy του Πανεπιστημίου Aix-Marseille, οι μηχανικοί αφιερώνουν πολύ χρόνο στο σχεδιασμό για να αποφύγουν τις θερμικές κλίσεις. Αλλά ο Leroy υποστηρίζει ότι οι θεμελιώδεις ιδέες που στηρίζουν αυτό το κίνημα δεν είναι καλύτερα κατανοητές. «Προτείνουμε μια μέθοδο για την ποσοτικοποίηση της μετανάστευσης ώστε να έχουμε μια πολύ ακριβή τιμή της δύναμης που οδηγεί την κίνηση».
Για να καταγράψουν την ατομική κίνηση, ο Leroy και οι συνεργάτες του ξεκίνησαν με μια γκοφρέτα πυριτίου που είχε πλάτος 9 mm και είχε μια πολύ επίπεδη, ομοιόμορφη επιφάνεια.
Μια διαφορά θερμοκρασίας περίπου 100° C δημιουργήθηκε με την εφαρμογή μιας πηγής θερμότητας στη μία πλευρά και μιας ψύκτρας στην άλλη. Η ομάδα προέβλεψε ότι τα άτομα πυριτίου θα μετακινούνταν από θερμότερα σε ψυχρότερα μέρη της επιφάνειας κάτω από αυτήν την κλίση. Ωστόσο, θα ήταν δύσκολο να δει κανείς αυτή την κίνηση. Επειδή τα άτομα κινούνται τόσο γρήγορα, εξηγεί ο Leroy, «Δεν μπορούμε να μετρήσουμε απευθείας την ατομική κίνηση».
Αντίθετα, οι επιστήμονες εξέτασαν τις κοιλότητες της επιφάνειας του πλακιδίου βάθους ενός ατόμου χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν διαδοχικές φωτογραφίες για να προσδιορίσουν τη μετανάστευση αυτών των δομών, πλάτους πολλών μικρομέτρων, προς την καυτή άκρη της γκοφρέτας με ταχύτητα περίπου 0,2 νανόμετρα ανά δευτερόλεπτο (nm/s).
Η κίνηση της λεκάνης εξηγείται από τους ερευνητές ότι προκαλείται από τη διάχυση ατόμου πυριτίου. Όπως σε ένα δισδιάστατο αέριο, τα άτομα αποσπώνται από το καυτό τοίχωμα της λεκάνης και αρχίζουν να κινούνται χαοτικά γύρω από τον πυθμένα της λεκάνης. Όταν ένα από αυτά τα διεσπαρμένα άτομα φτάσει στο ψυχρότερο τοίχωμα της λεκάνης, μπορεί να ανασυνδυαστεί. Τα τοιχώματα της λεκάνης κινούνται προς την κατεύθυνση της πηγής θερμότητας ως αποτέλεσμα της συνολικής διαδικασίας.
Χρησιμοποιώντας αυτό το μοντέλο διάχυσης, οι επιστήμονες υπολόγισαν μια δύναμη θερμομετανάστευσης περίπου 108 eV/nm, η οποία είναι εκατομμύρια φορές μικρότερη από τις δυνάμεις που προκαλούν χημικούς δεσμούς. Ο Leroy προτείνει ότι λόγω των υψηλότερων κλίσεων θερμοκρασίας που υπάρχουν στα μικροκυκλώματα, η δύναμη θερμομετανάστευσης θα πρέπει να είναι ισχυρότερη εδώ. Ωστόσο, θα απαιτηθεί περαιτέρω έρευνα με διαφορετικούς τύπους υλικών για να προσδιοριστεί πόσο ισχυρή θα είναι η δύναμη. Αυτά τα πειράματα θα μπορούσαν να αποκαλύψουν εάν ο μηχανισμός διάχυσης που εντόπισε η ομάδα είναι ένα χαρακτηριστικό της θερμομετανάστευσης γενικά.
Ο Ιάπωνας επιστήμονας επιφανειών Hibino εξεπλάγη που η κίνηση των λεκανών φαινόταν τόσο έντονη στα δεδομένα, δεδομένου ότι η ατομική κίνηση είναι αρκετά περίπλοκη και η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των λεκανών είναι ελάχιστη (περίπου 0,04 °C). Σύμφωνα με τον Hibino, τα καλά σχεδιασμένα πειράματα είναι αυτά που επέτρεψαν στους συγγραφείς να εξαγάγουν με επιτυχία το φαινόμενο της θερμομετανάστευσης από προκλητικές διαδικασίες.
Το έργο καταδεικνύει «όμορφη τεχνική ικανότητα» και «οι πειραματικές μετρήσεις είναι εντυπωσιακές», σύμφωνα με τον Γάλλο θεωρητικό της συμπυκνωμένης ύλης Olivier Pierre-Louis. Ωστόσο, πιστεύει ότι χρειάζεται περισσότερη έρευνα για τη βελτίωση του θεωρητικού μοντέλου. Σύμφωνα με τον ίδιο, μια καλύτερη κατανόηση της θερμομετανάστευσης θα μπορούσε να οδηγήσει σε εντελώς νέες μεθόδους για την παραγωγή νανοδομών που χρησιμοποιούν βαθμίδες θερμότητας για να μετακινήσουν άτομα σε μια επιφάνεια. «Χάρη στο χαρτί τους, έχουμε τώρα τους αριθμούς για να μας πουν τι είναι δυνατό και τι όχι», λέει ο Pierre-Louis.
Πηγή: https://physics.aps.org/
📩 17/09/2023 19:03