【ナノテク】MIT、熱を光のように扱う「サーモクリスタル」技術を提唱

マサチューセッツ工科大学（MIT）の材料科学・工学研究者 Martin Maldovan 氏が
熱伝導制御に関する新しいアプローチを提唱している。
フォトニック結晶およびフォノニック結晶の技術を拡張することによって、
光をレンズで集束したりミラーで反射させるのと似た方法で熱を操作できるようにするという。
2013年1月9日付けの Physical Review Letters に論文が掲載されている。

熱は、音と同様に、材料中を伝わる振動（原子の格子振動）である。
こうした振動は、仮想粒子であるフォノンの流れとして扱うこともできる。
ナノ構造を有する半導体フォトニック結晶を使って光子を操作するのと似たやり方で、
フォノニック結晶による音響フォノンの操作を行う研究は、近年活発に進んでいる。
今回の研究では、この技術をさらに進め、熱フォノンについても「サーモクリスタル」（熱結晶）を使って操作できることが示されている。

振動としての熱と音の違いは、周波数の違いであると Maldovan 氏は説明する。
音の振動周波数は最大でもキロヘルツのレベルだが、熱の振動周波数はテラヘルツレベルである。
また熱フォノンの周波数の帯域分布は音と比べて広い。
このため、すでに開発されているフォノニック結晶による音響フォノン操作技術を熱の操作に応用する場合、
熱フォノンを狭帯域化してから周波数を下げ、音の周波数領域に近づける必要があるとする。
Maldovan 氏は、熱フォノンと音響フォノンの境界領域まで周波数を下げた熱フォノンのことを「極超音速熱」（hypersonic heat）と呼んでいる。

極超音速熱のレベルでの周波数低減は、ナノ構造化された薄膜材料を使うことで可能になるという。
ナノ構造においては、拡散界面での散乱を通じてフォノンの平均自由工程（粒子が散乱せずに進める距離）が短くなることで、熱伝導率 κ が低減する。
κ の低減とともに、熱フォノンの周波数も低周波側にシフトすると考えられる。
今回の研究では、ナノ構造を有するシリコンにゲルマニウムのナノ粒子を含有させた薄膜について、
その熱フォノンに対する周波数・熱伝導特性をコンピュータによるシミュレーションを用いて評価し、こうした効果が実際に得られることを確認した。

また、高周波フォノンをブロックするためには、不純物や転位、ゲスト原子、非晶質などが利用できるという。
極端な低周波フォノンをブロックするためには、結晶粒界や界面が利用できる。これらによって、熱フォノンの周波数を狭帯域化できると考えられる。

Maldovan 氏は、サーモクリスタルによる熱操作技術が適用できる用途として、
図中の（a）熱導波路、（b）熱格子、（c）熱イメージング、（d）熱オプティクス、（e）熱ダイオード、（f）熱の不可視化（クローキング）などを挙げている。
これらの技術はすべて、フォトニクスおよびフォノニクスでは既に実証されている。

今回の研究はシミュレーションによるものだが、モデルとして扱ったナノ構造体などの技術は広く実験的に使われているものであり、
サーモクリスタルを用いた実デバイスによる熱操作の実現可能性は十分あると考えられる。

イメージ：サーモクリスタルの応用例 （Martin Maldovan, Physical Review Letters (2013) doi: 10.1103/PhysRevLett.110.025902 ）
http://sustainablejapan.net/app-def/S-102/wp/wp-content/uploads/2013/01/thermocrystal.jpg
ソース：MIT、熱を光のように扱う「サーモクリスタル」技術を提唱
http://sustainablejapan.net/?p=3516

本文中のリンク：
Physical Review Letters
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i2/e025902
How to treat heat like light (MIT media relations)
http://web.mit.edu/press/2013/how-to-treat-heat-like-light.html

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マサ工大

赤外線レーザーをイメージしてしまったがそれとも違うな

光をレンズで集束したりミラーで反射させるのと似た方法で熱を操作できるようにするという。
以外の部分は何が書いてあるの？

ＣＮＴは光になりそうだが？

その方法では元の熱振動エネルギーのほんの一部しか扱えないぞ
熱操作じゃなくて熱振動エネルギーの部分抽出レベル

熱ダイオードなんて出来たら、それはマクスウェルの悪魔じゃないのか？
熱力の第二法則がだまっちゃいないぜ。

製品ができたら見せてください。

正中摂津か

寒冷地に向かって熱レーザ打ちこんだり、寒冷地から冷気レーザを打ちこんだりできるのか？

世界各地でクリスタルの恩恵を受けて生活出来るようになる。属性には注意が必要だ

溶岩でも溶けないような魔法瓶が閃いた。

>>5
音ならばある程度そういう技術があるので、
音と同じように扱いたいけど、周波数が高くて分散してるから無理だった
なので、周波数を集中させた上で周波数下げて音と同じように扱えるようにしました

だと思う

クリスタル？
ただの石だろ

(f)がやばいな

>>2
節子、それフォノンやない。フォロンや。

火の上でちくわがクルクル回して焼いているのは関係あるのかな？
パーマやでは頭の上をリングがクルクル動いています。

熱戦兵器や高速増殖炉の冷却に使えるかな。

溶岩でも溶けないような氷だとすれば凄い

熱伝導の制御ができるわけか？
こりゃすごい。

ヤマトの諸君

でも熱は周波数帯域が広すぎるんじゃねえのか？

熱トランジシタや熱コンデンサも可能ですか？

>>24
可能です。いま作ってる途中です。

>>14

いやいや、フォトニック結晶およびフォノニック結晶の技術を拡張するアレによって、
光をレンズで集束したりミラーで反射させるのと似た方法で熱を操作できるようにするんだよ。
1月9日付けの PRL に論文が掲載されてるじゃん。

熱ってさぁ、音と同じで、材料中を伝わる振動（原子の格子振動）だし。
こういう振動はね、仮想粒子であるフォノンの流れとして扱うこともできるから。
だからナノ構造を有する半導体フォトニック結晶を使って光子を操作するのと似たやり方で、
フォノニック結晶による音響フォノンの操作を行う研究は、近年元気ハツラツに進んでる。
んで、今回の研究では、この技術をさらに進めて、熱フォノンについても「サーモクリスタル」（熱結晶）を使って操作できることが示されているってわけよ。

振動としての熱と音の違い？
周波数の違いであると Maldovan 氏は説明してるんだけど。ちゃんと読んでる？
音の振動周波数は最大でもキロヘルツのレベルだが、熱の振動周波数はテラヘルツレベルテラヘルツレベル。一応、二回言っといた。
それと熱フォノンの周波数の帯域分布は音と比べて広いし。
つーことで、すでに開発されてるフォノニック結晶による音響フォノン操作技術を熱の操作に応用する場合ね、
熱フォノンを狭帯域化してから周波数を下げて、音の周波数領域に近づける必要があるって考えに至るわけナノ。
それでヴァンちゃんは、熱フォノンと音響フォノンの境界領域まで周波数を下げた熱フォノンのアレを「極超音速熱」（ハイヒー）って呼んでるんだよ。

> コンピュータによるシミュレーションを用いて評価し、こうした効果が実際に得られることを確認した。

シミュレーションしただけなのに、「実際に得られることを確認した」ってどういうこと？
シミュレーションで良好な結果が出たなら期待はできるけど、なんで確認したことになるの？

そのサーモクリスタルをファイバー状にすれば
光ファイバーみたく熱を遅れるのだろうか…

ハワイの空気の缶詰を作れるようになるんだよ。

ストーブに虫目がねを当てて集光した点に手をかざすと・・・・

これは次世代コタツに応用できるな

のび太の家の庭に埋まってる奴か？

>>27
ナノ薄膜に熱をかけたときの振動状態をシミュレーションしたら
期待どおりに周波数と熱伝導率が下がったので大丈夫です。間違いありません。実際に試すまでもありません。

…てことじゃないの。

>>1
>また、高周波フォノンをブロックするためには、不純物や転位、ゲスト原子、非晶質などが利用できるという。
>極端な低周波フォノンをブロックするためには、結晶粒界や界面が利用できる。これらによって、熱フォノンの周波数を狭帯域化できると考えられる。

黒体じゃなくて狭帯域で光る物質に輻射させるのと同様に、そりゃあできるだろうけど、、、

同じ温度だと黒体に比べて輻射できるエネルギーが減るだけで、何もメリットないじゃないか

>Maldovan 氏は、サーモクリスタルによる熱操作技術が適用できる用途として、
>図中の（a）熱導波路、（b）熱格子、（c）熱イメージング、（d）熱オプティクス、（e）熱ダイオード、（f）熱の不可視化（クローキング）などを挙げている。

狭帯域で熱導波路なんて効率悪いだけじゃねーか

ダイオードも、ちゃんと考えたら高温側から低音側に熱が流れるだけだっての

しかも、狭帯域とか周波数変換と言いながらクローキングとか、頭腐ってるのか？

よーわからんが蓄熱に繋がる技術なんかな

>>34
熱ダイオードは断熱材に使えるんじゃない？

熱光学迷彩とかできるん？

>>36
いや、右側が熱い場合と左側が熱い場合で熱伝導度違うんであって、断熱材じゃないよ

最初はありえねーと思ったが、左右の温度をセンサーで測って断熱材抜き差しすりゃ簡
単に実現できるんだから、たいしたもんじゃねえ

さらに、縦に置いたヒートパイプも熱ダイオードだと気付いたが、wikiみたら石油パイプラ
インで実用化されてんだね

フォノンを集光するって事？

地球内部から熱を集めてエネルギーに使えるようになり
クリスタルが世界に恵みをもたらす世界になるんだよ

>>38
そうなの？
熱を一方向にしか伝えない材料なら
断熱用建材とかに使えると思ったんだけどな

>>41
石油パイプラインはその例だけど、普通の住宅だと夏冬あるから

熱を操作することはできるけど、エネルギーロスもしっかりあるんだよね？

冷凍光線への道

俺のオナテクの方がすごい

>>42
ふすま型の脱着可能な壁材にして夏冬で裏返して使えばいいんじゃない？

ようやくこの方向性が出現したか。
これまでは熱電技術はペルチェ素子等のちまちましたやつばかりだ。
発電技術は、太陽電池が例外くらいで、
ほぼ全て熱機関で歯車まわすのものだから、
発生熱量の7割を捨てるはめになってる。
熱をダイレクトに電気にできれば無駄が無くなる。
原発の燃料も水使わずに冷却できるようになる、というか熱くならない、
温度を制御できるようにしてもらいたい。

熱を担うフォノンについて、希望する振動数以外は
状態密度がほとんどなくなるようにしてしまえば
欲しい振動数のフォノンばかりになる、ということでいいのかな？

扱えないとこごっそりカットするみたいだからあんまり効率よくないんでは

【技術】あらゆる熱を電気に変換する新技術
http://toki.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1282649072/



太陽電池のライバル登場か
MITらが熱電変換と太陽熱で発電と湯水供給を同時に実現
2011/5/9 23:00
http://www.nikkei.com/article/DGXNASFK0900O_Z00C11A5000000/
http://www.nikkei.com/content/pic/20110509/96958A9C93819499E2EBE2E29D8DE2EBE2E7E0E2E3E3E2E2E2E2E2E2-DSXZZO2817270009052011000000-PB1-4.jpg

京セラ、効率が高い車載用熱電変換デバイスを開発
2012/10/4 23:00
http://www.nikkei.com/article/DGXNASFK04014_U2A001C1000000/
http://www.nikkei.com/content/pic/20121004/96958A9C93819499E2E6E2E3E68DE2E6E3E2E0E2E3E0E2E2E2E2E2E2-DSXZZO4689045004102012000000-PB1-5.jpg

昭和電線ケーブルシステム、効率10倍の熱電発電デバイスの開発
2012/11/1
http://www.japanmetal.com/seihin/seihin3.php?id=313
9664、昭和電線、熱伝変換、出力密度、在来方式,2.2倍150w/1m2、新装置
http://blog.goo.ne.jp/thinklive/e/0115d3cdc406663067ad052d4312107c
熱電変換効率を10 倍に高めた熱電発電デバイスの開発に成功
http://www.swcc.co.jp/news/pdf/PRESS_RELEASE_121109.pdf



【エネルギー】理論上カルノーサイクルで動作可能な波動エンジン（熱音響機関）を開発　300度で18%のエネルギー回生　発電や冷却が可能
http://anago.2ch.net/test/read.cgi/scienceplus/1339101547/

キシリクリスタルは健康にいいよね

バイメタルつかって、右側が高温の時は接触して熱を伝え、
左側が高温の時は、離れて熱を伝えない、

という熱ダイオードならできそう。

薄膜を振動させて熱量をコントロールする技術？

水晶なら我が家の近所でいくらでも拾えるけどな。。。

サーモクリトリスか
熱もって疼いてそうだな

熱コンピュータも可能？

光は粒〜　そして〜波〜


ぐぐったらまじめな話で笑ったけど
いまだに粒がよく分かんね
量子力学学べばよかったのか

エバネッセント領域では、いろいろ報告あったけど、
このレベルの話は初耳だわ。
明日、論文読んで解説したるわ。

>>43
何を言いたいのかよくわからんが
エネルギーは保存するぞｗ

「外部からのエネルギー供給なしに熱を移動させることはできない」ことに変わりはないよね
ってことじゃね

>>60
またまた意味がわからんけど
外部からエネルギー加えなくても熱は移動するだろｗｗ

低温から高温への移動だろ

発想がすごいな
わかっててもなかなかこういうのは…

音を交流波や溝で伝送、記録するのも最初に思いついたベルだかエジソンではない誰かさんは本当にすごいなあと
共通の性質を見出して関連付ける能力は物理の才能の一つだよね

すごすぎて
どう使えばいいのかわからねえ

なんかみんなマックスウェルの悪魔を作る話と勘違いしてないか？
普通にテラヘルツ領域の測定に用いるデバイスが作れますよねって話だぞ？

>>57
俺も知らないけど、見える粒とあとは概念としての粒だと思う
ゆえに文学的な量子テレポーテーションがなせてしまう
定義でうまいなって思うけど、それでも全てはそういう物

>>50
エンジンの廃熱で発電 昭和電線などが半導体部品
2013/2/6
http://www.nikkei.com/article/DGXNZO51406750V00C13A2TJ1000/
　昭和電線ホールディングスは東京理科大と共同で、自動車のエンジンの廃熱を使って発電する半導体部品を
開発する。減速時のエネルギーを電気として蓄えて利用する回生システムが環境対応車で普及している。
両者はエンジンの廃熱も電気にする技術で自動車の省エネ技術の向上を進める。
　昭和電線などが実用化する部品はマグネシウムやシリコンを材料にした新しい化合物半導体を用いる。
セ氏500度前後になるエンジンの周囲などに…

服にペタッ、体温で発電 富士フイルムがシート開発
http://www.nikkei.com/article/DGXNASGG20006_V20C13A2MM0000/
　富士フイルムは産業技術総合研究所と共同で、人間の体温と外気との温度差を利用して発電する
樹脂製シートを開発した。体や服に張りつけて携帯機器の補助電源に使える。テレビから出る熱や浴室の蒸気、
日が当たるカーテン、自動車の車体なども発電源になる。性能や耐久性を改良し、５年以内の製品化を目指す。
　開発したシートは、表と裏で温度差があると電気が流れる熱電効果と呼ぶ現象を利用する。
厚さが0.4ミリメートルと極めて薄く軟らかい。通常の環境では体温や服の表面よりも外気温の方が低いため、
常に温度差…

地雷除去に使えないだろうか