Transferencia de calor en sistemas nanoestructuradosJorge Ramon Galeano Cabral1, Kelly Daiane Sossmeier2 y Luciano Calheiros Lapas2

1Instituto de Tecnologıa, Infraestructura y Territorios e 2Instituto de Ciencias de la Vida y de la Naturaleza,Universidad Federal de Integracion Latino-Americana, 85.867-970 Foz de Iguazu, Brasil.

Resumen

En los estudios relacionados a los fenomenos de difusion se ha despertado gran interes en aplicaciones futuras del mismo en varios campos de la ciencia, trayendo, por ejemplo, avances en el mejoramientode las propiedades de algunos materiales envueltos en procesos termicos. Uno de los problemas basicos en este campo es determinar la transferencia de energıa entre nanopartıculas en diferentestemperaturas. En este trabajo se ha dado enfasis al transporte de energıa en forma de calor en sistemas moleculares. Hemos realizado simulaciones computacionales a partir de un modelo de dinamicamolecular utilizando el potencial de Lennard-Jones, obteniendo la variacion de energıa y calor especıfico de un sistema tridimensional con respecto al tiempo. De esa manera, es posible construir unmodelaje para analizar propiedades termodinamicas de algunos materiales y dispositivos termofotovoltaicos relevantes en el area de energıas renovables

Motivacion

I Intercambio de calor se puede dar vıa radiacion termica (emision y absorcion de fotones)I Simulacion de dinamica molecular de nanopartıculas

Celulas solares — nanopartıculas en celulassolares plasmonicas [H. A. Atwater y A.

Polman. Nature Materials 9, 205 (2010)].

Thermal bath 2

SphericalNanoparticle

Surface

Photons

Phonons

Thermal bath 1

Transferencia radiativa — colision elastica defotones y contribuciones del acoplamiento

fonon-fotones.

Metodologıa

I Tecnica de dinamica molecularA traves de la dinamica molecular, cada atomo fue modelado como una masa puntual cuyatrayectoria esta descripta por la segunda ley de Newton:∑

j

fij = mi ri ,

donde mi , ri y fij son la masa atomica, la aceleracion de las particulas e la fuerza ejercida porlos atomos j al atomo i , respectivamente.

. Potencial de Lennard-Jones:

−1

−0.5

0

0.5

1

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Pot

enci

al d

e Le

nnar

d-Jo

nes

r

repulsivo

atractivo

VL−J(r) = 4ε

[(σr

)12−(σ

r

)6]

,

donde ε es la profundidad del poten-cial y σ es la distancia finita donde elpotencial entre partıculas es nulo.

I Ley de Fourier de la conduccion (modela la conduccion de calor a nivel macroscopico)

q = −k∇T ,

donde q es el flujo de calor local, k es la conductividad del material y T es la temperaturalocal. Se puede escribir la transferencia de calor unidireccional como

q = −kdT

dx,

. Calor especıfico a volumen constante

cV =∂ET

∂T

∣∣∣∣V

,

donde ET es la energıa total y la conductividad k ∝ cV .. Simulacion

La estructura cristalina desa-parece rapidamente y se obtienennanopartıculas amorfas.

Apoyo financiero

Simulaciones y resultados

−4

−2

0

2

4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Ener

gía

(U.A

.)

Tiempo (U.A.)

Energía potencial

Energía cinética

Energía total Conservacion de energıa total. La grafica

muestra el comportamiento de la energıa to-

tal, cinetica y potencial. En todos los casos

hemos evaluado 100 experimentos sucesivos

con 512 partıculas partıculas en un sistema

de tres dimensiones.

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

3

3.1

3.2

3.3

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2−3

−2

−1

0

1

2

3

4

Tem

pera

tura

(U.A

.)

Pres

ión

(U.A

.)

Tiempo (U.A.)

Convergencia de presion y temperatura. La

grafica muestra los comportamientos de la

temperatura y presion evaluados a traves de

la Energıa Cinetica y del Teorema de Virial.

0.15

0.16

0.17

0.18

0.19

0.2

0.21

0.22

0 0.5 1 1.5 2

Cal

or e

spec

ífico

(U.A

.)

Tiempo (U.A.)

Experimento arbitrárioPromedio

Calor especıfico a volumen constante.

Conclusiones

I La obtencion de la variacion de energıa de una estructura en tres dimensiones sera importantepara analizar el flujo de calor en la estructura que posibilitara relacionar con la interaccionentre dos o mas nanoestructuras y con eso comparar a modelos teoricos y experimentalesque estan siendo realizados;

I La dinamica molecular facilita la interpretacion de los modelos teoricos de comportamientosdifusivos por lo que es una herramienta util en el estudio de nanoestructuras;

I Se ha logrado una importante base teorica para la realizacion de simulaciones computa-cionales sobre dinamica molecular;

I Se ha generado un caracter cientıfico valorativo con respecto a la investigacion para de estamanera promover una formacion cualitativa y autonoma;

I Se ha logrado ampliar los conocimientos acerca de procesos relacionados a las interaccionestermicas entre nanoestructura con vision a las energıas renovables como los dispositivostermofotovoltaicos y los nanocircuitos.

Bibliografıa

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