De verrassende ontdekking van een nieuwe manier om de thermische geleidbaarheid af te stemmen en te verbeteren - een basiseigenschap die over het algemeen als vaststaand wordt beschouwd voor een bepaald materiaal - geeft ingenieurs een nieuw hulpmiddel voor het beheren van thermische effecten in smartphones en computers, lasers en een aantal andere aangedreven apparaten.

De bevinding werd gedaan door een groep ingenieurs onder leiding van Deyu Li, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan de Vanderbilt University, en online gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie op 11 december

Li en zijn medewerkers ontdekten dat de thermische geleidbaarheid van een paar dunne stroken materiaal, boor-nanoribbons genaamd, tot 45 procent kan worden verbeterd, afhankelijk van het proces dat ze gebruikten om de twee linten aan elkaar te plakken. Hoewel het onderzoek werd uitgevoerd met boor nanoribbons, de resultaten zijn algemeen toepasbaar op andere dunne-filmmaterialen.

Een geheel nieuwe manier om thermische effecten te beheersen "Dit wijst op een geheel nieuwe manier om thermische effecten te beheersen die waarschijnlijk een aanzienlijke impact zal hebben in de micro-elektronica op het ontwerp van smartphones en computers, in opto-elektronica over het ontwerp van lasers en leds, en op een aantal andere gebieden, " zei Greg Walker, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde bij Vanderbilt en een expert in thermisch transport die niet direct betrokken was bij het onderzoek.

Volgens Li, de kracht die de twee nanoribbons bij elkaar houdt, is een zwakke elektrostatische aantrekkingskracht die de van der Waals-kracht wordt genoemd. (Dit is dezelfde kracht waarmee de gekko tegen muren op kan lopen.)

"Traditioneel, algemeen wordt aangenomen dat de fononen die warmte transporteren, worden verspreid op de van der Waals-interfaces, waardoor de thermische geleidbaarheid van de lintbundels hetzelfde is als die van elk lint. Wat we ontdekten staat in schril contrast met deze klassieke opvatting. We laten zien dat fononen deze interfaces kunnen passeren zonder verstrooid te worden, wat de thermische geleidbaarheid aanzienlijk verbetert, " zei Li. Bovendien, de onderzoekers ontdekten dat ze de thermische geleidbaarheid tussen een hoge en een lage waarde konden regelen door de interface van de nanoribbon-paren met verschillende oplossingen te behandelen.

De verbetering is volledig omkeerbaar

Een van de opmerkelijke aspecten van het effect dat Li ontdekte, is dat het omkeerbaar is. Bijvoorbeeld, toen de onderzoekers het grensvlak van een paar nanolinten nat maakten met isopropylalcohol, druk ze samen en laat ze drogen, de thermische geleidbaarheid was hetzelfde als die van een enkele nanoribbon. Echter, toen ze ze nat maakten met pure alcohol en ze lieten drogen, de thermische geleidbaarheid werd verbeterd. Vervolgens, toen ze ze weer nat maakten met isopropylalcohol, de thermische geleidbaarheid viel terug naar de oorspronkelijke lage waarde.

"Het is erg moeilijk om een ​​fundamentele materiaaleigenschap zoals thermische geleidbaarheid af te stemmen en de aangetoonde afstembare thermische geleidbaarheid maakt het onderzoek bijzonder interessant, ' zei Walker.

Een van de eerste gebieden waar deze nieuwe kennis waarschijnlijk zal worden toegepast, is het thermisch beheer van micro-elektronische apparaten zoals computerchips. Vandaag, miljarden tot biljoenen transistors zitten vast in chips ter grootte van een vingernagel. Deze chips genereren zoveel warmte dat het voorkomen van oververhitting een van de belangrijkste factoren in hun ontwerp is. In feite, warmtebeheer is een van de belangrijkste redenen achter de huidige multi-coreprocessorontwerpen.

"Een beter begrip van thermisch transport tussen interfaces is de sleutel tot een beter thermisch beheer van micro-elektronische apparaten, ' zei Li.

Ontdekking kan het ontwerp van nanocomposieten verbeteren

Een ander gebied waar de bevinding belangrijk zal zijn, is het ontwerp van "nanocomposieten" - materialen gemaakt door nanostructuuradditieven zoals koolstofnanobuisjes in te bedden in een gastheermateriaal zoals verschillende polymeren - die worden ontwikkeld voor gebruik in flexibele elektronische apparaten, structurele materialen voor ruimtevaartvoertuigen en een verscheidenheid aan andere toepassingen.