Des scientifiques ont mis au point un nouveau microscope qui améliore considérablement la façon de mesurer le flux de chaleur dans les matériaux. Cette avancée pourrait permettre d’améliorer la conception des appareils électroniques et des systèmes énergétiques.
Il est essentiel de mesurer la façon dont la chaleur se déplace dans les matériaux pour mettre au point des dispositifs électroniques et énergétiques efficaces. Par exemple, une meilleure gestion de la chaleur peut conduire à des ordinateurs plus rapides et plus fiables, ainsi qu’à des panneaux solaires et des batteries plus efficaces.
« Trouver les bons matériaux pour l’électronique est essentiel pour développer les dispositifs dont nous avons besoin pour soutenir la transition écologique. Par exemple, pour transformer la chaleur en électricité – ou vice versa – nous avons besoin de matériaux qui perdent très peu de chaleur tout en étant d’excellents conducteurs électriques », indique Nini Pryds, professeur à DTU Energy.
« À cette fin, nous voulons découvrir comment la chaleur est dispersée dans les matériaux que nous utilisons. En l’observant, nous pouvons déterminer comment la chaleur se déplace dans différentes directions à l’intérieur du matériau, ce qui est important car cela affecte leurs performances. »
L’astuce consiste à trouver des matériaux dont les performances sont fiables à l’échelle du nanomètre. À cette échelle, de petits changements dans la manière dont la chaleur est conduite peuvent être déterminants pour les performances globales du matériau. Par exemple, la chaleur peut être transportée dans des directions différentes en fonction de la disposition des cristaux, de la taille des grains ou de la forme, ce qui affecte la capacité du matériau à transformer la chaleur en électricité – ses propriétés thermoélectriques – et peut conduire à un dispositif moins efficace.
Il existe des moyens d’étudier le transport de la chaleur, mais ces méthodes sont souvent lentes, nécessitent des installations complexes ou risquent d’endommager les matériaux étudiés. Il est donc difficile pour les chercheurs d’obtenir des données précises et fiables pour évaluer leurs performances.
Il faut un microscope
Dans un récent article publié dans Science Advances, une équipe de scientifiques du DTU, du Technion et de l’université d’Anvers a présenté une nouvelle méthode de microscopie qui résout ces problèmes : un microscope de diffusivité thermique. La nouvelle méthode est basée sur une plate-forme de mesure entièrement automatisée, le CAPRES microRSP. Contrairement aux méthodes existantes, elle ne nécessite aucune préparation spéciale de l’échantillon.
Le nouveau microscope peut effectuer des mesures à haute résolution à très petite échelle. Les scientifiques ont effectué leur test sur deux matériaux connus pour leurs excellentes propriétés de conduction de la chaleur et de l’électricité : Bi2Te3 (tellurure de bismuth) et Sb2Te3 (tellurure d’antimoine), qui sont souvent utilisés dans les dispositifs thermoélectriques qui convertissent la chaleur en électricité.
Le microscope a mesuré avec précision le flux thermique directionnel dans ces matériaux. En d’autres termes, il peut détecter comment la chaleur se déplace différemment dans diverses directions, ce qui fournit des indications précieuses pour la conception de dispositifs plus efficaces. Les résultats ont été confirmés en comparant la nouvelle méthode à d’autres techniques établies, ce qui montre que le microscope est à la fois fiable et efficace.
« Je pense que notre nouvelle méthode de microscopie constitue une avancée significative dans le domaine de la science des matériaux. Nous avons mis au point une méthode rapide, simple et non dommageable pour mesurer le flux de chaleur, ce qui nous permet de mieux comprendre le comportement de ces matériaux », conclut Nini Pryds.
Article : « Thermal diffusivity microscope: Zooming in on anisotropic heat transport » – DOI : 10.1126/sciadv.ads653
Légende illustration : Microscope (Gen AI)
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