Pourquoi les matériaux font ce qu'ils font
Le Dr Geoffrey Lee-Dadswell est un physicien théoricien à l'Université Cape Breton, qui étudie depuis 15 ans pourquoi les matériaux se comportent comme ils le font. Plus précisément, il étudie le transport de la chaleur et de la quantité de mouvement à très petite échelle. Pour donner un exemple de transport de chaleur à grande échelle, prenons une poêle à frire sur une cuisinière.
Nous savons que l'élément de la cuisinière chauffe le fond de la poêle au point que les aliments cuisent. Cependant, le manche de la poêle ne devient pas aussi chaud. Pourquoi? La réponse réside dans la compréhension du transport de la chaleur, qui obéit à la Loi de Fourier sur la conduction thermique. Cette loi est connue depuis près de 200 ans, mais, étonnamment, elle n'est pas bien comprise.
L'un des mystères concernant la Loi de Fourier est qu'elle ne semble pas fonctionner pour certains objets à l'échelle nanométrique. Un nanomètre est un milliardième de mètre. Si vous deviez aligner des atomes sur un nanomètre, vous n'en mettriez qu'environ 10!
Par exemple, les ordinateurs sont devenus plus rapides en grande partie parce que les composants de leurs puces ont été miniaturisés au fil des ans. À mesure que ce processus se poursuit, de plus en plus de parties d'un ordinateur de bureau ou d'un téléphone intelligent ordinaires deviennent des nano-électroniques. Lee-Dadswell étudie les nano-systèmes unidimensionnels, c'est-à-dire que, à des fins théoriques, ils n'ont qu'une longueur.
Maintenant, parce que nous vivons dans un monde tridimensionnel, tout a une largeur et une profondeur. Cependant, dans certains nano-systèmes, celles-ci sont si petites qu'elles peuvent être ignorées. Des exemples de systèmes unidimensionnels sont les nanotubes de carbone (pensez à ceux-ci comme une feuille de graphite enroulée en tube) et les chaînes de polymères comme les chaînes de polyéthylène dont sont faites les bouteilles en plastique.
Les nanotubes de carbone sont souvent longs de quelques micromètres, mais peuvent n'avoir que cinq à dix nanomètres de large. Les physiciens croyaient autrefois que tout obéissait à la Loi de Fourier sur la conduction thermique, mais des chercheurs ont découvert que ces systèmes unidimensionnels se comportent différemment des autres systèmes – ne respectant pas la Loi de Fourier.
De plus, ils ne savent pas pourquoi, ce qui signifie également qu'ils n'ont pas une compréhension solide de la raison pour laquelle tout le reste obéit à la Loi de Fourier. Les lois physiques sont de préférence dérivées de la mécanique plus fondamentale, mais personne ne sait comment dériver la Loi de Fourier à partir de la mécanique. S'ils ne peuvent pas la dériver, alors ils ne comprennent vraiment pas la loi.
Cela rend les physiciens fous! Cela signifie que nous ne comprenons pas des choses comme le flux de chaleur aussi bien que nous le pensions. Ce casse-tête a commencé à apparaître au début des années 1900, mais n'est venu au premier plan que dans les années 1970. Il est difficile de progresser sur un mystère aussi ancien, et s'y attaquer est donc plutôt intimidant.
Lee-Dadswell est l'un des rares chercheurs au monde à le faire. Lee-Dadswell travaille généralement avec un ou deux étudiants de premier cycle. Il développe des modèles, et les étudiants exécutent ensuite des dizaines de simulations en parallèle sur les systèmes ACENET, chacune pouvant durer des semaines et impliquant des dizaines ou des centaines de milliers d'atomes interagissant les uns avec les autres.
En comprenant les lois fondamentales du transport, il devient possible de résoudre des problèmes tels que l'évacuation de la chaleur des nano-électroniques et l'amélioration de la technologie de réfrigération.