Soms, een simpele beslissing om iets onconventioneels te proberen, kan leiden tot een belangrijke ontdekking.

Een bekende methode voor het maken van koellichamen voor elektronische apparaten is een proces dat sinteren wordt genoemd, waarbij metaalpoeder in een gewenste vorm wordt gevormd en vervolgens in vacuüm wordt verwarmd om de deeltjes aan elkaar te binden. Maar in een recent experiment sommige studenten probeerden koperdeeltjes in lucht te sinteren en kregen een grote verrassing.

In plaats van de verwachte solide metalen vorm, wat ze vonden was een massa deeltjes met lange snorharen van geoxideerd koper. “Het was een soort van toeval, ” zegt Kripa Varanasi, d'Arbeloff Universitair Docent Werktuigbouwkunde aan het MIT. “We hebben deze gekke dingen, deeltjes bedekt met nanodraden, ' zegt hij.

Het resulterende proces zou een belangrijke nieuwe methode kunnen blijken te zijn voor het vervaardigen van structuren met een bereik van verschillende afmetingen tot enkele nanometers (miljardsten van een meter). “Je gaat in één stap van vast bolvormig poeder naar zeer complexe structuren, " zegt Christopher Love, een afgestudeerde student werktuigbouwkunde die hoofdauteur is van het papier. “Het proces is heel eenvoudig, en de constructies zijn duurzaam, ' zegt hij. Deze nieuwe structuren kunnen worden gebruikt voor het beheer van de warmtestroom in verschillende toepassingen, variërend van krachtcentrales tot het koelen van elektronica.

Niet alleen waren de deeltjes bedekt met fijne draden, maar de overvloed aan draden bleek afhankelijk te zijn van de grootte van de originele koperdeeltjes. “We zijn de eersten die een grootteafhankelijke oxidatie in koper waarnemen, ', zegt Varanasi. Dat betekent dat onderzoekers gemakkelijk poreuze structuren op verschillende schalen kunnen synthetiseren, massaal, door de deeltjes te selecteren waarmee ze beginnen:deeltjes kleiner dan een sinter van een bepaalde grootte, terwijl grotere deeltjes nanodraden laten groeien.

De ontdekking wordt gerapporteerd in een paper dat wordt gepubliceerd in het tijdschrift RSC Nanoscale. Naast Varanasi en Liefde, de auteurs van het artikel zijn afgestudeerde student werktuigbouwkunde J. David Smith en postdoc Yuehua Cui van het Laboratory for Manufacturing and Productivity.

Dergelijke hiërarchische structuren kunnen zeer effectief zijn voor thermisch beheer, alles koelen, van microprocessors tot de ketels van enorme krachtcentrales. Ze kunnen zelfs nuttig zijn in geothermische energie, dat een grote belofte inhoudt als een systeem voor het leveren van schone, hernieuwbare energie. Omdat de resulterende structuren zo gemakkelijk te controleren zijn, "je kunt ze optimaliseren om fenomenen te beheersen die plaatsvinden op verschillende lengte- en tijdschalen, ', zegt Varanasi.

Hoewel de groei van nanodraden op bulkkoperen platen eerder was waargenomen, Varanasi zegt, dit is de eerste keer dat het is waargenomen op verschillende schalen tegelijk, en de eerste keer dat het proces is geanalyseerd en uitgelegd. "Er zijn een heleboel verschillende theorieën geweest over hoe deze nanodraden groeien, ' zegt hij. Maar nu, "dit papier heeft grondig vastgesteld" wat het mechanisme is voor koperdeeltjes:de borstelharen groeien naar buiten door diffusie, waardoor de deeltjes in het midden hol blijven terwijl het metaal naar buiten migreert.

Het team test nu hetzelfde proces met andere materialen. Bijvoorbeeld, als het werkt met zirkonium - het metaal dat nu wordt gebruikt als bekleding voor splijtstofstaven in kernreactoren - kan het de warmteoverdracht helpen verbeteren. In een kernreactor waar dit proces turbines aandrijft en stroom produceert, een dergelijke vooruitgang zou de algehele efficiëntie van de reactoren kunnen verhogen.

Naast thermisch beheer, deze resultaten kunnen helpen om bepaalde katalytische processen te optimaliseren, zegt Varanasi.

Suresh Garimella, een professor werktuigbouwkunde aan de Purdue University die niet betrokken was bij dit onderzoek, zegt dat de "eenvoudige en potentieel kosteneffectieve aard van de methode" voor het kweken van koperen nanodraden "de bevindingen significant maakt, ” met mogelijke toepassingen zoals katalyse en thermisch beheer.

Brent Segal, hoofdtechnoloog bij Lockheed Martin Nanosystems in Billerica, Massa., zegt dat dit "belangrijk werk is om de elektrische eigenschappen en thermische eigenschappen" van materialen te beheersen, en mogelijk ook hun optische eigenschappen. dergelijke controle, van de microscopische tot de nanoscopische schaal - een duizendvoudig verschil in grootte - "niet eerder gezien" in één enkel proces, hij zegt.

Bij het zien van de teambeschrijving van deze nieuwe techniek, Segal zegt, “Je denkt meteen, ‘Ik wil 75 andere materialen gaan proberen’” om te zien of ze op een vergelijkbare manier werken. "Ik denk dat 100 verschillende laboratoria in het hele land alles zullen proberen wat ze op de plank hebben" met behulp van deze techniek, hij voegt toe.

Het werk werd ondersteund door het MIT Deshpande Center, een DARPA Young Faculty Award, het MIT Energie-initiatief, en een afgestudeerde onderzoeksbeurs van de National Science Foundation.