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Des scientifiques de l’UGR apportent de nouvelles données sur la célèbre loi de conduction de la chaleur

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La célèbre Loi de Fourier est la loi de conduction de la chaleur qui établit la proportionnalité entre le courant de chaleur et le gradient de température dans un matériau

Des chercheurs de l’Université de Grenade (UGR) ont apporté de nouvelles données sur la dénommée Loi de Fourier, la loi de conduction de la chaleur qui établit la proportionnalité entre le courant de chaleur et le gradient de température dans un matériau.

Leur travail, intitulé A Violation of universality in anomalous Fourier’s Law et publié récemment dans la prestigieuse revue Scientific Reports, du groupe Nature, démontre que l’anomalie dans la conductivité thermique des matériaux de faible dimension n’est pas universelle, tel qu’on l’a pensé jusqu’à cette date, mais dépend de certains détails microscopiques du matériau.

Jean-Baptiste Joseph Fourier formula sa célèbre loi de conduction de la chaleur dans son livre Théorie Analytique de la Chaleur, une loi qui a été amplement étudiée et utilisée au cours des deux derniers siècles. Maintenant, Pablo Hurtado et Pedro L. Garrido, professeurs du département d’Électromagnétisme et de Physique de la Matière, et membres de l’Institut Carlos I de Physique Théorique et Computationnelle de l’UGR, ont apporté de nouvelles données à son sujet.

On sait depuis quelques années que les matériaux de faible dimension (1 d ou 2 d) présentent une anomalie dans leur conductivité thermique, qui croît sans limite avec la grandeur du système, ce qui implique un transport super-efficient de l’énergie et comporte une infinité d’applications. L’explication actuelle de cette anomalie suggère qu’elle est universelle ; c’est-à-dire, que sa physique est indépendante des détails, dépendant seulement de quelques caractéristiques globales du système. Cette propriété est une des idées les plus puissantes et fertiles de la physique théorique, vu qu’elle explique pourquoi des phénomènes apparemment différents présentent la même physique et peuvent être compris dans le même cadre théorique. Par exemple, l’anomalie dans la conductivité thermique peut se mettre en rapport avec un autre problème apparemment très différent : la croissance de superficies rugueuses, décrite par l’équation de Kadar-Parisi-Zhang.

Cependant, l’étude dirigée par l’UGR a démontré que l’anomalie dans la conductivité thermique des matériaux à basse dimension n’est pas universelle, vu qu’elle dépend de certains détails du matériau dans lequel se produit ce phénomène, Pour en arriver à cette conclusion, les chercheurs ont développé une nouvelle méthode d’échelle qui démontre que, malgré la violation d’universalité observée, il existe une généralisation de la Loi de Fourier pour matériaux à basse dimension, que nous appelons Loi de Fourier anormale, qui décrit de façon précise le transport d’énergie dans ces systèmes, y inclus dans des régimes hautement non linéaires et indépendamment du format du système.

Le problème présente un double intérêt pour les scientifiques : d’une part, il permet de comprendre l’anomalie et la violation de la Loi de Fourier aussi bien au niveau fondamental que microscopique. D’autre part, il présente un grand intérêt technologique en raison des multiples possibilités qu’il présente pour son application dans des matériaux de basse dimensionnalité. L’exemple le plus caractéristique en est le graphène, un matériau bidimensionnel formé par des lames monoatomiques cristallines de carbone, bien qu’il y ait une multitude d’exemples intéressants, depuis des chaînes moléculaires et des nanotubes de carbone, en passant par des fibres polymériques et des nano-fils, jusqu’à des exemples biologiques comme la toile d’araignée. Tous ces matériaux montrent une conduction thermique anormale dû à leur basse dimensionnalité effective, et leurs applications sont innombrables (phononique, transistors, diodes et interrupteurs thermiques, etc.).

« Ces résultats sont importants parce que, d’un côté, ils mettent en question la théorie actuelle basée sur l’hydrodynamique fluctuante, signalant l’existence d’une nouvelle physique, mais en même temps ils nous signalent et ouvrent la voie (sans doute plus compliquée que nous l’espérions) pour résoudre ce problème bicentenaire », signalent les chercheurs.

Le texte de cet article peut se télécharger gratuitement sur le site de Nature :
http://www.nature.com/articles/srep38823

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Contact :

Pablo Ignacio Hurtado Fernández
Département d’Électromagnétisme et de Physique de la Matière de l’UGR.
Tél.: 958241000, ext. 20189;  958244014
Courriel: phurtado@ugr.es