(Phys.org) -- Een team van wetenschappers van de Universiteit van Maryland heeft ontdekt dat wanneer elektrische stroom door koolstofnanobuizen wordt geleid, objecten in de buurt warmen op terwijl de nanobuisjes zelf koel blijven, als een broodrooster die brood verbrandt zonder heet te worden. Het begrijpen van dit volledig onverwachte nieuwe fenomeen zou kunnen leiden tot nieuwe manieren om computerprocessors te bouwen die op hogere snelheden kunnen draaien zonder oververhitting.

"Dit is een nieuw fenomeen dat we waarnemen, uitsluitend op nanoschaal, en het is volledig in strijd met onze intuïtie en kennis van Joule-verwarming op grotere schaal - bijvoorbeeld, in dingen zoals je broodrooster, " zegt eerste auteur Kamal Baloch, die het onderzoek uitvoerde terwijl een afgestudeerde student aan de Universiteit van Maryland. "De elektronen van de nanobuis stuiteren ergens op, maar niet zijn atomen. op de een of andere manier, de atomen van de naburige materialen - het siliciumnitridesubstraat - trillen en worden in plaats daarvan heet."

"Het effect is een beetje raar, " geeft John Cumings toe, een assistent-professor bij de afdeling Materials Science and Engineering die toezicht hield op het onderzoeksproject. Hij en Baloch hebben het fenomeen 'joule-verwarming op afstand' genoemd.

Een onwerkelijke ontdekking

Voor de UMD-onderzoekers, de ervaring van de ontdekking was zoals jij of ik had kunnen voelen, indien, op een ogenschijnlijk gewone ochtend, we begonnen te ontbijten, alleen om te ontdekken dat er bepaalde dingen gebeuren die de normale realiteit lijken te schenden. De toast is verbrand, maar de broodrooster is koud. De schakelaar op het fornuis staat op "HI" en de theepot fluit, maar de brander is niet heet.

Natuurlijk, Baloch, Cumings en hun collega's maakten geen ontbijt in een keuken, maar het uitvoeren van experimenten in een elektronenmicroscopie-faciliteit aan de A. James Clark School of Engineering aan de Universiteit van Maryland. Ze voerden hun experimenten keer op keer uit, en het resultaat was altijd hetzelfde:toen ze een elektrische stroom door een koolstofnanobuis lieten gaan, het substraat eronder werd heet genoeg om metalen nanodeeltjes op het oppervlak te smelten, maar de nanobuis zelf leek koel te blijven, en dat gold ook voor de metalen contacten die eraan vastzaten.

Voor ons, niet-wetenschappers, hun ervaring lijkt op het eerste gezicht misschien niet zo vreemd, voedsel dat in een magnetron wordt gekookt, wordt heet terwijl de oven zelf dicht bij kamertemperatuur blijft. Het probleem is dat Baloch en Cumings niet opzettelijk een microgolfveld genereerden. Ze lieten alleen een directe elektrische stroom door de nanobuis gaan, waardoor het zou moeten opwarmen. De gegevens vertelden hen een verhaal dat nergens op leek te kloppen - een verhaal over een broodrooster met stekker die brood kon verbranden zonder heet te worden.

Een fenomeen dat bekend staat als "Joule-verwarming" dicteert dat een elektrische stroom ervoor zorgt dat bewegende elektronen terugkaatsen op de atomen van een metaaldraad, waardoor ze op hun plaats trillen. Deze trillingen creëren warmte, en elke geleidende draad moet het effect laten zien, inclusief de verwarmingselementen van broodroosters, haardrogers, en elektrische kookplaten. Van koolstofnanobuizen is bekend dat ze elektriciteit geleiden zoals metalen draden op nanoschaal, dus Baloch en Cumings verwachtten hetzelfde effect te zien als ze stroom door een koolstofnanobuisje lieten lopen.

Ze gebruikten een techniek die ontwikkeld was in Cumings' lab genaamd elektronen thermische microscopie, die in kaart brengt waar warmte wordt gegenereerd in elektrische apparaten op nanoschaal, om het effect van de stroom op een nanobuis te observeren. Ze verwachtten dat warmte langs de lengte van de nanobuis naar metalen contacten zou gaan die eraan vastzaten. In plaats daarvan, de hitte leek rechtstreeks naar het siliciumnitride-substraat eronder te springen, opwarmen terwijl de nanobuis relatief koud blijft.

Maar hoe is het zelfs mogelijk dat de elektronen van de nanobuis de atomen van het substraat laten trillen als ze op afstand van elkaar zijn gescheiden? zelfs een meting in nanometers? Baloch en Cumings speculeren dat er een "derde partij" bij betrokken is:elektrische velden.

"Wij geloven dat de elektronen van de nanobuis elektrische velden creëren door de stroom, en de atomen van het substraat reageren direct op die velden, Cumings legt uit. "De overdracht van energie vindt plaats via deze tussenpersonen, en niet omdat de elektronen van de nanobuis terugkaatsen van de atomen van het substraat. Hoewel er enige analogie is met een magnetron, de fysica achter de twee verschijnselen is eigenlijk heel anders."

Baloch voegt eraan toe dat het externe Joule-verwarmingseffect verreikende gevolgen kan hebben voor de computertechnologie. "Wat momenteel de prestaties van de processor van een computer beperkt, is de snelheid waarmee deze kan draaien, en wat de snelheid beperkt, is het feit dat het te heet wordt, " legt hij uit. "Als je een manier zou kunnen vinden om de restwarmte beter kwijt te raken, dan kan het sneller. Een transistor die geen energie in zichzelf als warmte dissipeert, zoals de nanobuisjes in ons experiment, zou een game-changer kunnen zijn. Met dit nieuwe mechanisme van thermisch transport kunt u uw thermische geleider en elektrische geleider afzonderlijk ontwerpen, het kiezen van de beste eigenschappen voor elk zonder dat de twee hetzelfde materiaal moeten zijn dat hetzelfde gebied van de ruimte inneemt."

Op dit moment, een sfeer van mysterie omhult nog steeds het fenomeen, die alleen op nanoschaal is waargenomen, en alleen in koolstofmaterialen. De volgende stappen zijn om te bepalen of andere materialen het effect kunnen produceren, en als het zo is, welke eigenschappen ze moeten hebben. "We weten nu dat siliciumnitride op deze manier energie kan absorberen van een stroomvoerende nanobuis, maar we willen graag andere materialen testen, zoals halfgeleiders en andere isolatoren, " legt Cumings uit. "Als we echt kunnen begrijpen hoe dit fenomeen werkt, we zouden kunnen beginnen met het engineeren van een nieuwe generatie nano-elektronica met geïntegreerd thermisch beheer."

Deze ontdekking werd gepubliceerd in het online nummer van 8 april van Natuur Nanotechnologie . Het onderzoek werd ondersteund door een subsidie ​​van het Amerikaanse Department of Energy Office of Basic Energy Sciences.