Et nanorørmateriale leder varme i kun én retning

fotografi af nanorør, der skabes Wikimedia commons

Varme er noget af en plage for elektroingeniører. Det reducerer pålideligheden af ​​elektroniske enheder og får dem endda til at svigte fuldstændigt. Derfor er computerkomponenter rigeligt smurt med termisk pasta og forbundet til varmerør, ventilatorer og endda vandkølingssystemer.

Målet er at kanalisere varmen væk fra følsomme komponenter, så den kan spredes ud i miljøet. Men efterhånden som enheder bliver mindre, bliver udfordringen mere akut - og moderne transistorer måles for eksempel i nanometer.

De mest omkostningseffektive ledere er metaller som kobber, men varme bevæger sig lige godt igennem dem i alle retninger. Det betyder, at varme kan spredes til enhver anden komponent, der også er i termisk kontakt med metallet.

En mere effektiv leder vil kanalisere varme i én retning, men ikke i den vinkelrette. I dette tilfælde ville varme bevæge sig langs et sådant materiale, men ikke på tværs af det.

Denne form for asymmetrisk leder ville gøre livet for termiske ingeniører væsentligt nemmere. Men at skabe dem er svært.

Indtast Shingi Yamaguchi på University of Tokyo i Japan og en gruppe kolleger, som har skabt et materiale ud af nøje afstemte kulstofnanorør, der leder varme på netop denne måde. Det nye stof har potentialet til at revolutionere den måde, termiske ingeniører designer og bygger kølesystemer til computere og andre enheder på.

Først lidt baggrund. Materialeforskere er udmærket klar over, at kulstofnanorør er exceptionelle ledere. Disse små rør har en termisk ledningsevne på over 1.000 W m-1 K-1. Til sammenligning har kobber en termisk ledningsevne på omkring 400 W m-1 K-1.

Problemerne opstår, når materialeforskere forsøger at lave et bulkmateriale ud af nanorør. Det gør de ved at lade rørene sætte sig på et plastiksubstrat og danne et lag. Men nanorørene har en tendens til at være dårligt justeret eller tilfældigt arrangeret.

Som følge heraf er de i dårlig termisk kontakt med hinanden, og dette reducerer ledningsevnen af ​​bulkmaterialet. Det er vigtigt at eliminere disse strukturelle mangler for at udnytte den høje termiske ledningsevne af individuelle kulstofnanorør i tilpassede kulstofnanorørsamlinger, siger Yamaguchi og co.

Deres løsning er enkel: De skaber et materiale, hvor kulstofnanorørene er præcist justeret og derfor er i god ende-til-ende termisk kontakt.

Dette er muligt takket være en teknik kendt som kontrolleret vakuumfiltrering. Tilbage i 2012 opdagede fysikere, at flydende kulstofnanorør under visse omstændigheder kan danne en selvorganiseret struktur, hvor de alle bliver justeret som i en krystal.

Nanorørene blandes først sammen i en væske indeholdende et overfladeaktivt stof, der reducerer dets overfladespænding. Forudsat at koncentrationen af ​​nanorør er under et eller andet kritisk niveau, begynder de så at selvorganisere sig på væskens overflade og bliver tæt på linje.

Væsken fjernes derefter ved forsigtigt og langsomt at suge den gennem et filter ved hjælp af et vakuum, hvorved nanorørene efterlades. Resultatet er et tyndt ark af højt justerede nanorør med nogle ekstraordinære egenskaber.

Yamaguchi og co siger, at det nye materiale leder varme i retning af nanorørjustering med en termisk ledningsevne på 43 W m-1 K-1. Derimod er konduktansen i den vinkelrette retning tre størrelsesordener mindre ved 0,085 W m-1 K-1, omtrent det samme som glasfiber.

Med andre ord er materialet 500 gange bedre til at lede i den ene retning end i den anden - den største asymmetri, der nogensinde er observeret for denne slags materialer.

Årsagen er enkel. Når nanorørene er i termisk kontakt fra ende til anden, bevæger varmen sig let fra den ene til den anden. Men rørene er ikke i god termisk kontakt langs deres længde, da kontaktfodaftrykket er lille for rør ved siden af ​​hinanden.

Yamaguchi og co er hurtige til at påpege begrænsningerne ved deres nye materiale. Selvom den har enormt asymmetriske egenskaber, er dens højeste termiske ledningsevne kun 43 W m-1 K-1, omtrent det samme som tin/blylodde.

Men de tror, ​​de ved, hvorfor det er så lavt sammenlignet med enkeltkulstof nanorør. De siger, at selvom nanorørene er i termisk kontakt fra ende til anden, er denne kontakt ikke perfekt. Hvert spring, som varmen skal foretage fra det ene nanorør til det næste, reducerer den termiske ledningsevne. Og jo kortere rørene er, jo flere hop kræves.

Yamaguchi og co bruger nanorør, der kun er 200 nanometer lange. Dette tyder på, at den [termiske ledningsevne i retning af nanorørjustering] kan være endnu større med længere bestanddele af kulstof nanorør, siger de.

At lave et lignende materiale af længere nanorør vil ikke nødvendigvis være ligetil. Den selvorganiserende adfærd, der skaber de tilpassede film, er sværere for længere nanorør. Men denne form for materialevidenskabelig udfordring vil helt sikkert interessere Yamaguchi og co og andre. Der er ingen tvivl om, at eksperimenterne allerede er i gang, hvor termiske ingeniører holder fingre.

Ref: arxiv.org/abs/1911.11340 : Envejs termisk transport i tæt opstillede enkeltvæggede kulstof nanorørfilm

skjule