Inhibition de la propagation des phonons dans un nanocomposite

Dans la quête de matériaux de plus en plus performants du point de vue thermique, et notamment avec une très basse conductivité thermique, les nanocomposites se sont révélés très prometteurs. Toutefois, une véritable panoplie de propriétés thermiques a été reportée en littérature, avec des conductivités thermiques très réduites comme aussi très exaltées suite a’ la nanostructuration. Aujourd’hui la théorie peine encore à donner une explication microscopique de cette variété.

Les membres de l’ILM et leurs collaborateurs ont utilisé la dynamique moléculaire pour étudier la propagation des ondes élémentaires de la chaleur, les phonons, dans des nanocomposites faits d’une matrice amorphe avec des nanoinclusions cristallines. Ils ont pu montrer que les nanoinclusions diffusent fortement les phonons avec des longueurs d’onde comparables à la nanostructure, réduisant leur temps de vie, ainsi qu’ils n’arrivent plus à se propager. Ainsi il y a moins de phonons propagatifs dans un nanocomposite que dans le matériau pure. Cette réduction affecte dramatiquement le transport de la chaleur lorsque les phonons propagatifs sont les principaux porteurs de la chaleur dans le matériau. Si cela n’est pas le cas, comme par exemple dans le silicium amorphe, l’effet peut être négligeable et la conductivité thermique peut aussi augmenter grâce a’ la contribution des nanoparticules plus conductrices que la matrice. Ainsi, le comportement thermique dépendra d’un équilibre entre rôle des phonons propagatifs dans le transport thermique et l’impact de la nanostructure sur leur nombre.

A basse énergie et longue longueur d’onde, les phonons se propagent de la même façon dans un amorphe (gauche) et le nanocomposite (droite – les tirets indiquent la position des nanoinclusions). Toutefois à haute énergie, et longueurs d’onde comparables avec la nanostructuration, cela n’est plus vrai et les phonons n’arrivent plus à se propager dans le nanocomposite.