Conduction thermique non-Fourier dans un nanotube de carbone à paroi unique : simulations de dynamique moléculaire classique

La conduction thermique non stationnaire dans un nanotube de carbone à paroi unique a été étudiée en appliquant une impulsion thermique locale d'une durée de sous-picosecondes. L'étude est basée sur des simulations de dynamique moléculaire classique, où l'impulsion thermique a été générée sous forme de fluctuations cohérentes en connectant un thermostat à la cellule locale pendant une courte durée. La conduction thermique à travers le nanotube a été observée en termes de profils de température spatiotemporels. Les résultats des simulations montrent une conduction thermique non-Fourier où une quantité distincte de chaleur est transportée sous forme ondulée. La géométrie des nanotubes de carbone nous permet d'observer un tel phénomène à l'échelle réelle du matériau. Le profil spatiotemporel résultant a été comparé avec les équations macroscopiques disponibles, les soi-disant équations de conduction thermique non-Fourier, afin d'examiner l'applicabilité des modèles phénoménologiques à un système quasi-uni dimensionnel. L'équation de diffusion hyperbolique conventionnelle échoue à prédire la conduction thermique en raison du manque de diffusion locale. Il est montré que cela peut être remédié en adoptant un modèle avec un temps de relaxation dual. D'autres analyses modal utilisant des transformations en ondelettes révèlent une contribution significative des modes de phonons optiques à la conduction thermique ondulée observée. Le résultat suggère que, dans les nanotubes de carbone de longueur finie où les phonons acoustiques à longue longueur d'onde se comportent de manière balistique, même les phonons optiques peuvent jouer un rôle majeur dans la conduction thermique non-Fourier.