Graphene is nature's thinnest elastic material and displays exceptional mechanical1,2 and electronic properties3,4,5. Ripples are an intrinsic feature of graphene sheets6 and are expected to strongly influence electronic properties by inducing effective magnetic fields and changing local potentials7,8,9,10,11,12. The ability to control ripple structure in graphene could allow device design based on local strain13 and selective bandgap engineering14. Here, we report the first direct observation and controlled creation of one- and two-dimensional periodic ripples in suspended graphene sheets, using both spontaneously and thermally generated strains. We are able to control ripple orientation, wavelength and amplitude by controlling boundary conditions and making use of graphene's negative thermal expansion coefficient (TEC), which we measure to be much larger than that of graphite. These results elucidate the ripple formation process, which can be understood in terms of classical thin-film elasticity theory. This should lead to an improved understanding of suspended graphene devices15,16, a controlled engineering of thermal stress in large-scale graphene electronics, and a systematic investigation of the effect of ripples on the electronic properties of graphene. Ripples in suspended graphene sheets are created in a controlled manner, opening new possibilities for the engineering of graphene's properties.

Elastic ceramics Aerogels hold promise as lightweight replacements for thermal insulation. However, poor mechanical stability has hampered progress in moving toward commercialization. Xu et al. designed a mechanical metamaterial that pinches in a small amount when you compress it (see the Perspective by Chhowalla and Jariwala). This is characteristic of materials with a negative Poisson's ratio and dramatically improves mechanical stability. The trick was using three-dimensional graphene structures to template the ceramic aerogels, thus producing a superinsulating material endowed with excellent mechanical properties. Science , this issue p. 723 ; see also p. 694

We describe a new realization of stochastic resonance, applicable to a broad class of systems, based on an underlying excitable dynamics with deterministic reinjection. A simple but general theory of such ``single-trigger'' systems is compared with analog simulations of the Fitzhugh-Nagumo model, as well as experimental data obtained from stimulated sensory neurons in the crayfish.

Interest in thermoelectrics for waste-heat recovery and localized cooling has flourished in recent years, but questions about cost and scalability remain unanswered. This work investigates the fabrication costs and coupled thermal and electrical transport factors that govern device efficiency and commercial feasibility of the most promising thermoelectric materials. For 30 bulk and thin film thermoelectric materials, we quantify the tradeoff between efficiency and cost considering electrical and thermal transport at the system level, raw material prices, system component costs, and estimated manufacturing costs. This work neglects the cost of heat, as appropriate for most waste-heat recovery applications, and applies a power generation cost metric in $/W and a cooling operating cost metric in $/kWh. The results indicate material costs are too high for typical thermoelectric power generation applications at mean temperatures below 135 °C. Above 275 °C, many bulk thermoelectric materials can achieve costs below $1/W. The major barrier to economical thermoelectric power generation at these higher temperatures results from system costs for heat exchangers and ceramic plates. For cooling applications, we find that several thermoelectric materials can be cost competitive and commercially promising.

The thermal conductivity reduction due to grain boundary scattering is widely interpreted using a scattering length assumed equal to the grain size and independent of the phonon frequency (gray). To assess these assumptions and decouple the contributions of porosity and grain size, five samples of undoped nanocrystalline silicon have been measured with average grain sizes ranging from 550 to 64 nm and porosities from 17% to less than 1%, at temperatures from 310 to 16 K. The samples were prepared using current activated, pressure assisted densification (CAPAD). At low temperature the thermal conductivities of all samples show a T2 dependence which cannot be explained by any traditional gray model. The measurements are explained over the entire temperature range by a new frequency-dependent model in which the mean free path for grain boundary scattering is inversely proportional to the phonon frequency, which is shown to be consistent with asymptotic analysis of atomistic simulations from the literature. In all cases the recommended boundary scattering length is smaller than the average grain size. These results should prove useful for the integration of nanocrystalline materials in devices such as advanced thermoelectrics.

An incoherent particle model has been developed to calculate the phonon thermal conductivity of superlattice nanowires. This is an extension of the photon net-radiation method and Schuster–Schwarzschild approximation to dispersive acoustic phonons in a gray medium. By comparing the roughness and geometric variations of typical nanowires to the characteristic phonon wavelength (∼1 nm at 300 K), diffuse scattering and incoherent three-dimensional dispersion are justified. An isotropic sine-type (Born–von Karman) dispersion is used, which requires only the sound velocity, atomic number density, and bulk conductivity to fully describe a material. A simple picture is also given in terms of Matthiessen’s rule and three effective mean free paths. Agreement with available experimental data is poor at the smallest diameters, but good above 30 nm diameter. Compared to a conventional superlattice, calculations show that the additional sidewall scattering in a superlattice nanowire can reduce the thermal conductivity by a factor of 2 or more.

Interest in new thermal diodes, regulators, and switches has been rapidly growing because these components have the potential for rich transport phenomena that cannot be achieved using traditional thermal resistors and capacitors. Each of these thermal components has a signature functionality: Thermal diodes can rectify heat currents, thermal regulators can maintain a desired temperature, and thermal switches can actively control the heat transfer. Here, we review the fundamental physical mechanisms of switchable and nonlinear heat transfer which have been harnessed to make thermal diodes, switches, and regulators. The review focuses on experimental demonstrations, mainly near room temperature, and spans the fields of heat conduction, convection, and radiation. We emphasize the changes in thermal properties across phase transitions and thermal switching using electric and magnetic fields. After surveying fundamental mechanisms, we present various nonlinear and active thermal circuits that are based on analogies with well-known electrical circuits, and analyze potential applications in solid-state refrigeration and waste heat scavenging.

Decoupling charge and heat transport In metals, electrons carry both charge and heat. As a consequence, electrical conductivity and the electronic contribution to the thermal conductivity are typically proportional to each other. Lee et al. found a large violation of this so-called Wiedemann-Franz law near the insulator-metal transition in VO 2 nanobeams. In the metallic phase, the electronic contribution to thermal conductivity was much smaller than what would be expected from the Wiedemann-Franz law. The results can be explained in terms of independent propagation of charge and heat in a strongly correlated system. Science , this issue p. 371

The thermal contact resistance between graphene and silicon dioxide was measured using a differential 3ω method. The sample thicknesses were 1.2 (single-layer graphene), 1.5, 2.8, and 3.0 nm, as determined by atomic force microscopy. All samples exhibited approximately the same temperature trend from 42 to 310 K, with no clear thickness dependence. The contact resistance at room temperature ranges from 5.6×10−9 to 1.2×10−8 m2 K/W, which is significantly lower than previous measurements involving related carbon materials. These results underscore graphene’s potential for applications in microelectronics and thermal management structures.