Avancée majeure de la compréhension des transferts de chaleur dans les nanocomposites
Publié par Redbran le 09/01/2019 à 14:00
Source: CNRS-INSIS
En collaboration avec l'Université d'Aristote de Thessalonique, des chercheurs de plusieurs laboratoires CNRS ont mis en évidence l'impact de la microstructure d'un matériau nanocomposite sur sa capacité à transporter la chaleur. Ces nouvelles connaissances, publiées dans la revue Nanoscale, pourraient bénéficier aux applications nécessitant un contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents phénomènes physiques, en...) telles que la conversion de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) en électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité...).


© CETHIL / INL / LEMTA
Percolation de phonons dans le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle...) d'inclusions
Système modélisé: matrice amorphe de SiO2 avec des nano-inclusions cristallines de nitrure de gallium. Des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) se propageant entre les inclusions sont représentées pour schématiser l'effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, franchissement impossible selon la mécanique classique. Généralement, la...) des phonons et donc la percolation (À partir d'une certaine quantité critique de fluide sur une cloison, un pont s'établit permettant au fluide de la traverser) exaltée.

Face à l'urgence énergétique actuelle, la maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs pays et...) de la chaleur constitue un grand défi sociétal. Cette nouvelle étude apporte une compréhension significative du transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation, des actions...) thermique dans des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) nanocomposites. Ces travaux, basés sur des simulations numériques (dynamique moléculaire), ont été réalisés par des chercheurs du Centre d'énergétique et de thermique de Lyon (CETHIL, CNRS/INSA Lyon/Université Claude Bernard (Claude Bernard, né le 12 juillet 1813 à Saint-Julien (Rhône) et mort le 10 février 1878 à Paris, est un médecin et physiologiste français.) Lyon 1), de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs...) matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) (ILM, CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1) et du Laboratoire d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) et de mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de...) théorique et appliquée (LEMTA, CNRS/Université de Lorraine). Les chercheurs se sont intéressés à un nanocomposite constitué d'une matrice en silice, thermiquement isolante, dans laquelle ils ont introduit des nanograins formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la...) une structure cristalline thermiquement conductrice de nitrure de galium (GaN). Aux petites échelles, la chaleur est associée aux vibrations des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se...) appelées phonons.

L'étude démontre qu'une faible quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un...) de GaN (5%) suffit à engendrer un flux de chaleur (Le flux de chaleur est une transmission de chaleur (ou énergie thermique) à travers un corps. Le flux de chaleur s'exprime en W/m2.) important au sein du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de...). En effet, cette structure ordonnée favorise un effet tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont apparentés aux tunnels par leur mode de construction les grands ouvrages...) des phonons à travers la silice et donc le transport de chaleur d'une nanoparticule à une autre. Ce résultat surprenant va à l'encontre du comportement prédit par les lois de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) à l'échelle macroscopique. Ainsi, en modifiant l'organisation (Une organisation est) et l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) des nanoparticules, la conductivité du matériau peut être contrôlée selon les besoins. Cette découverte pourrait servir aux applications technologiques pour lesquelles une meilleure évacuation de la chaleur est visée, mais aussi aux applications thermoélectriques, pour lesquelles on cherche à inhiber le transport de la chaleur.

Références publication:
Enhanced thermal conductivity in percolating nanocomposites: a molecular dynamics investigation,
K. Termentzidis, V. M. Giordano, M. Katsikini, E. C. Paloura, G. Pernot, M. Verdier, D. Lacroix, I. Karakostas and J.Kioseoglou
Nanoscale, Vol. 10 (2018)
DOI: 10.1039/C8NR05734F

Contact chercheurs:
Konstantinos Termentzidis – CETHIL
Valentina Giordano - INL
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