Tänk dig att du spelar gitarr – varje anslag på en sträng skapar en ljudvåg som vibrerar och interagerar med andra vågor. Förminska nu den idén till en enda liten molekyl och istället för ljudvågor, föreställ dig vibrationer som transporterar värme.
Ett team av ingenjörer och materialforskare vid Paul M. Rady Department of Mechanical Engineering vid CU Boulder har nyligen upptäckt att dessa små termiska vibrationer, även kända som fononer, kan störa varandra precis som musiknoter – antingen förstärka eller ta bort varandra, beroende på hur en molekyl är ”strängad”.
Forskningen är publicerad i tidskriften Nature Materials.
Fononinterferens är något som aldrig har mätts eller observerats vid rumstemperatur på molekylär nivå. Men denna grupp har utvecklat en ny teknik som kan avslöja dessa små vibrationshemligheter.
Studien leddes av biträdande professor Longji Cui och hans team i Cui Research Group. Deras arbete innefattade samarbete med forskare från Spanien (Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, Universidad Autónoma de Madrid), Italien (Istituto di Chimica dei Composti Organometallici) och CU Boulder Department of Chemistry.
Gruppen säger att deras upptäckt kommer att hjälpa forskare över hela världen att få en bättre förståelse för fononernas fysikaliska beteende, som är de dominerande energibärarna i alla isolerande material. De tror att denna upptäckt en dag kan revolutionera hur värmeavledning hanteras i framtida elektronik och material.
”Interferens är ett grundläggande fenomen”, säger Cui, som också är knuten till programmet för materialvetenskap och teknik och centrumet för experiment på kvantmaterial. ”Om man har förmågan att förstå interferensen mellan värmeflöden på minsta nivå kan man skapa enheter som aldrig tidigare varit möjliga.”
Världens starkaste öron
Cui säger att molekylär fononik, eller studiet av fononer i en molekyl, har funnits ganska länge som en främst teoretisk diskussion. Men man behöver ganska starka öron för att ”lyssna” på dessa molekylära melodier och vibrationer direkt, och den tekniken har helt enkelt inte funnits.
Det vill säga, tills Cui och hans team klev in.
Gruppen designade en värmesensor som är mindre än ett sandkorn eller till och med en sågspånspartikel. Denna lilla sond är speciell: den har en rekordhög upplösning som gör det möjligt att fånga en molekyl och mäta fonon-vibrationer på minsta möjliga nivå.
Med hjälp av dessa specialdesignade miniatyrvärmesensorer studerade teamet värmeflödet genom enskilda molekylära kopplingar och fann att vissa molekylära vägar kan orsaka destruktiv interferens – kollisioner mellan fononvibrationer som minskar värmeflödet.
Sai Yelishala, doktorand i Cui’s laboratorium och huvudförfattare till studien, säger att denna forskning med hjälp av deras nya skannande termiska sond är den första observationen av destruktiv fononinterferens vid rumstemperatur.
Med andra ord har teamet låst upp möjligheten att hantera värmeflödet på den skala där alla material föds: en molekyl.
”Låt oss säga att du har två vattenvågor i havet som rör sig mot varandra. Vågorna kommer så småningom att kollidera och skapa en störning mellan sig”, säger Yelishala. ”Det kallas destruktiv interferens och det är vad vi observerade i detta experiment. Att förstå detta fenomen kan hjälpa oss att undertrycka värmetransporten och förbättra materialens prestanda på en extremt liten och aldrig tidigare skådad skala.”
Små molekyler, stor potential
Att utveckla världens starkaste öron för att mäta och dokumentera aldrig tidigare skådade fononbeteenden är en sak. Men vad kan dessa små vibrationer egentligen göra?
”Detta är bara början för molekylär fononik”, säger Yelishala. ”Nya material och elektronik har en lång lista av problem när det gäller värmeavledning. Vår forskning kommer att hjälpa oss att studera kemin, det fysiska beteendet och värmehanteringen i molekyler så att vi kan ta itu med dessa problem.”
Ta ett organiskt material, till exempel en polymer, som exempel. Dess låga värmeledningsförmåga och känslighet för temperaturförändringar medför ofta stora risker, såsom överhettning och nedbrytning.
Kanske kan forskare och ingenjörer en dag, med hjälp av forskning om fononinterferens, utveckla en ny molekylär design. En design som förvandlar en polymer till ett metalliknande material som kan utnyttja konstruktiva fononvibrationer för att förbättra värmetransporten.
Tekniken kan till och med spela en stor roll inom områden som termoelektricitet, även känt som användning av värme för att generera elektricitet. Att minska värmeflödet och undertrycka värmetransporten inom detta område kan förbättra termoelektriska enheters effektivitet och bana väg för användning av ren energi.
Gruppen säger att denna studie bara är toppen av isberget för dem också. Deras nästa projekt och samarbeten med kemister vid CU Boulder kommer att utvidga detta fenomen och använda denna nya teknik för att utforska andra fononiska egenskaper på molekylär nivå.
”Fononer färdas i praktiskt taget alla material”, säger Yelishala. ”Därför kan vi styra utvecklingen av alla naturliga och konstgjorda material på minsta möjliga nivå med hjälp av våra ultrakänsliga sonder.”
Mer information: Sai C. Yelishala et al, Phonon interference in single-molecule junctions, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-025-02195-w
