Ερευνητική εργασία της Ομάδας Θεωρητικής και Υπολογιστικής Φυσικής της Ξανθίππης Ζιάννη στο Τμήμα Αεροδιαστημικής Επιστήμης και Τεχνολογίας της Σχολής Θετικών Επιστημών του ΕΚΠΑ, δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nanoscale της Royal Society of Chemistry (RSC) ως Advance Article και προβάλλεται στο εξώφυλλο του τεύχους Νο41 του περιοδικού με έντεχνη εικόνα της Επιστημονικής Υπεύθυνης της Ομάδας.
Πληροφορίες της δημοσίευσης
Τίτλος: A physics rule to design aperiodic width-modulated waveguides for minimum phonon transmission with Bayesian optimization
Συγγραφείς: Antonios-Dimitrios Stefanou and Xanthippi Zianni
Σύνδεσμος δημοσίευσης: A physics rule to design aperiodic width-modulated waveguides for minimum phonon transmission with Bayesian optimization (rsc.org)
Ο Aντώνιος-Δημήτριος Στεφάνου είναι Υποψήφιος Διδάκτορας του Τμήματος Αεροδιαστημικής Επιστήμης και Τεχνολογίας της Σχολής Θετικών Επιστημών του ΕΚΠΑ.
Η Ξανθίππη Ζιάννη είναι Καθηγήτρια Φυσικής του Τμήματος Αεροδιαστημικής Επιστήμης και Τεχνολογίας της Σχολής Θετικών Επιστημών του ΕΚΠΑ.
Η προβολή της εργασίας στο εξώφυλλο του περιοδικού Nanoscale έγινε με την υποστήριξη της Σχολής Θετικών Επιστημών του ΕΚΠΑ.
ΣΥΝΟΠΤΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ
Οι κυματοδηγοί με διαμορφωμένο πάχος (width-modulated waveguides) ανήκουν στην κατηγορία των τεχνητών δομών υλικών με ιδιότητες που ελέγχονται από την γεωμετρία τους, τα λεγόμενα μεταυλικά (metamaterials). Τα μεταυλικά έχουν φέρει επαναστατική πρόοδο σε πολλούς τομείς της σύγχρονης τεχνολογίας όπως στην φωτονική, στην ακουστική, στους αισθητήρες κλπ. Θα μπορούσαν να αποδειχτούν χρήσιμα και στο πεδίο των θερμοηλεκτρικών. Η αποδοτική μετατροπή θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική με την χρήση θερμοστοιχείων (θερμικών μηχανών στερεών υλικών) είναι αντικείμενο εντατικής επιστημονικής έρευνας εδώ και αρκετές δεκαετίες. Οι προσπάθειες παρόλα αυτά να αυξηθεί η χαμηλή απόδοση των παραδοσιακών θερμοηλεκτρικών υλικών με την χρήση νανοσύνθετων υλικών και νανοδομών δεν έχουν αποδώσει ικανοποιητικά αποτελέσματα. Η ανάπτυξη αποδοτικών θερμοηλεκτρικών εφαρμογών δεν είναι ακόμα δυνατή λόγω ανεπαρκούς ελέγχου της συνδυασμένης μεταφοράς ηλεκτρισμού και θερμότητας σε υλικά και δομές τους. Η αύξηση της θερμοηλεκτρικής απόδοσης θεωρείται ωστόσο επίκαιρος και κρίσιμος στόχος διότι η επίτευξη του θα ήταν ευεργετική για τις τρέχουσες ανάγκες της κοινωνίας μας σε πράσινη ενέργεια και προωθημένες εφαρμογές της νανοηλεκτρονικής. Το 2010, προτάθηκε η χρήση μεταυλικών σαν εναλλακτική στρατηγική για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος. Ένας από τους συγγραφείς της παρούσας εργασίας έδειξε ότι οι ιδιότητες ηλεκτρικής και θερμικής μεταφοράς κυματοδηγών με μη ομοιόμορφο πάχος εξαρτώνται ισχυρά από την γεωμετρική μορφολογία και ότι αυτή θα μπορούσε να σχεδιαστεί κατάλληλα ώστε να προκύψουν νανοδομές με υψηλή θερμοηλεκτρική απόδοση. Τέτοιες δομές θα μπορούσαν ιδανικά να τροφοδοτήσουν το διαδίκτυο των πραγμάτων (the Internet of Things) αλλά και να ψύξουν τα νάνο-τσιπς προκειμένου να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα της υπερθέρμανσης των νανοηλεκτρονικών διατάξεων.
Η φύση μας διδάσκει πώς να σχεδιάζουμε τεχνητές δομές με βέλτιστες ιδιότητες. Χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι ζωντανοί οργανισμοί όπως οι πεταλούδες που έχουν πολλά και έντονα χρώματα λόγω των γεωμετρικών σχηματισμών στα φτερά τους που λειτουργούν σαν φυσικά φωτονικά μεταυλικά και έχουν εμπνεύσει τον σχεδιασμό αποδοτικών τεχνητών μεταυλικών. Σε πολλές περιπτώσεις η λειτουργία των μεταυλικών βασίζεται στην συνύπαρξη ή και στον ανταγωνισμό γεωμετρικής τάξης και αταξίας. Σε προηγούμενη μελέτη, μέλος της ομάδας επεσήμανε τον σημαντικό ρόλο της αταξίας στη γεωμετρική μορφολογία θερμοηλεκτρικών μεταυλικών. Απεριοδική γεωμετρική διαμόρφωση μπορεί να παρεμποδίσει πολύ αποτελεσματικά την παρασιτική θερμική αγωγή που περιορίζει τον έλεγχο της θερμότητας και την θερμοηλεκτρική απόδοση στην νανοκλίμακα. Η απόκλιση από την περιοδικότητα (απεριοδικότητα) μπορεί όμως να πραγματοποιηθεί με πολλούς τρόπους και βαθμούς πολυπλοκότητας. Ο προσδιορισμός της βέλτιστης απεριοδικής γεωμετρικής μορφολογίας είναι πολύ φιλόδοξος στόχος εξαιτίας του τεράστιου αριθμού των πιθανών διαμορφώσεων. Στην παρούσα εργασία, αναπτύχθηκε ένα ρεαλιστικό πρόβλημα βελτιστοποίησης αφαιρώντας κάθε περιττή πολυπλοκότητα από το φυσικό πρόβλημα και επιτεύχθηκε αποδοτική βελτιστοποίηση με μεθοδολογία μηχανικής μάθησης (Bayesian optimization). Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν ότι η παρασιτική θερμική αγωγή ελαχιστοποιείται με μεγιστοποίηση της αταξίας στο γεωμετρικό προφίλ των κυματοδηγών, χρησιμοποιώντας ως μέτρο αταξίας τον αριθμό των διαφορετικών μονάδων διαμόρφωσης (modulation units) στο γεωμετρικό προφίλ. Το αποτέλεσμα αυτό παρότι εκ πρώτης άποψης αναμενόμενο με βάση την φυσική διαίσθηση, αποδεικνύεται μη-τετριμμένο από σύγκριση με σχετική επιστημονική βιβλιογραφία. Στη παρούσα έρευνα επικυρώθηκε ένας φυσικός νόμος που ανοίγει νέους δρόμους στον σχεδιασμό της γεωμετρικής απεριοδικότητας για έλεγχο ιδιοτήτων διέλευσης δια μέσου μεταυλικών.
