(Phys.org) - Een team van interdisciplinaire onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute heeft een nieuwe methode ontwikkeld om de warmteoverdrachtssnelheid tussen twee verschillende materialen aanzienlijk te verhogen. Resultaten van de studie van het team, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen , zou nieuwe vorderingen kunnen maken in het koelen van computerchips en verlichtingsdiodes (LED's), zonne-energie verzamelen, het oogsten van restwarmte, en andere toepassingen.

Door een laag ultradunne "nanoglue" tussen koper en silica te sandwichen, het onderzoeksteam toonde een viervoudige toename van de thermische geleidbaarheid aan op het grensvlak tussen de twee materialen. Minder dan een nanometer - of een miljardste van een meter - dik, de nanolijm is een laag moleculen die een sterke band vormt met het koper (een metaal) en het silica (een keramiek), die anders niet goed aan elkaar zouden plakken. Dit soort nanomoleculaire vergrendeling verbetert de hechting, en helpt ook om de trillingen van atomen te synchroniseren waaruit de twee materialen bestaan ​​die, beurtelings, vergemakkelijkt een efficiënter transport van warmtedeeltjes, fononen genaamd. Naast koper en silica, het onderzoeksteam heeft aangetoond dat hun aanpak werkt met andere metaal-keramische interfaces.

Warmteoverdracht is een cruciaal aspect van veel verschillende technologieën. Naarmate computerchips kleiner en complexer worden, fabrikanten zijn voortdurend op zoek naar nieuwe en betere middelen om overtollige warmte van halfgeleiderapparatuur te verwijderen om de betrouwbaarheid en prestaties te vergroten. Met fotovoltaïsche apparaten, bijvoorbeeld, betere warmteoverdracht leidt tot een efficiëntere omzetting van zonlicht in elektrische stroom. LED-makers zoeken ook naar manieren om de efficiëntie te verhogen door het percentage van het ingangsvermogen dat verloren gaat als warmte te verminderen. Ganapati Ramanath, professor aan de afdeling Materials Science and Engineering van Rensselaer, die de nieuwe studie leidde, zei dat het vermogen om de thermische geleiding van het grensvlak te verbeteren en te optimaliseren zou moeten leiden tot nieuwe innovaties in deze en andere toepassingen.

"Interfaces tussen verschillende materialen zijn vaak knelpunten in de warmtestroom als gevolg van verstikt fonontransport. Het invoegen van een derde materiaal maakt het meestal alleen maar erger omdat er een extra interface wordt gecreëerd, " zei Ramanath. "Echter, onze methode om een ​​ultradunne nanolaag van organische moleculen te introduceren die sterk binden met beide materialen aan het grensvlak, leidt tot meervoudige verhogingen van de thermische geleiding van het grensvlak, in tegenstelling tot slechte warmtegeleiding die wordt waargenomen bij anorganisch-organische interfaces. Deze methode om thermische geleiding af te stemmen door hechting te regelen met behulp van een organische nanolaag, werkt voor systemen met meerdere materialen, en biedt een nieuw middel voor manipulatie op atomair en moleculair niveau van meerdere eigenschappen op verschillende soorten materiaalinterfaces. Ook, het is cool om dit vrij onopvallend te kunnen doen door de eenvoudige methode van zelfassemblage van een enkele laag moleculen."

Resultaten van de nieuwe studie, getiteld "Bonding-geïnduceerde thermische geleidingsverbetering bij anorganische hetero-interfaces met behulp van nanomoleculaire monolagen, " zijn onlangs online gepubliceerd door Natuurmaterialen , en zal verschijnen in een komende gedrukte editie van het tijdschrift.

Het onderzoeksteam gebruikte een combinatie van experimenten en theorie om hun bevindingen te valideren.

"Onze studie stelt de correlatie vast tussen grensvlakbindingssterkte en thermische geleidbaarheid, die dient om nieuwe theoretische beschrijvingen te onderbouwen en nieuwe manieren te openen om de grensvlakwarmteoverdracht te beheersen, " zei co-auteur Pawel Keblinski, professor aan de afdeling Materials Science and Engineering van Rensselaer.

"Het is echt opmerkelijk dat een enkele moleculaire laag zo'n grote verbetering in de thermische eigenschappen van interfaces kan bewerkstelligen door sterke grensvlakbindingen te vormen. Dit zou nuttig zijn voor het regelen van warmtetransport voor veel toepassingen in de elektronica, verlichting, en energieopwekking, " zei co-auteur Masashi Yamaguchi, universitair hoofddocent bij de vakgroep Natuurkunde, Toegepaste fysica, en astronomie bij Rensselaer.

"The overarching goal of Professor Ramanath's NSF-sponsored research is to elucidate, using first-principles-based models, the effects of molecular chemistry, chemical environment, interface topography, and thermo-mechanical cycling on the thermal conductance of metal-ceramic interfaces modified with molecular nanolayers, " said Clark V. Cooper, senior advisor for science at the NSF Directorate for Mathematical and Physical Sciences, who formerly held the post of program director for Materials and Surface Engineering. "Consistent with NSF's mission, the focus of his research is to advance fundamental science, but the potential societal benefits of the research are enormous."

"This is a fascinating example of the interplay between the physical, chemisch, and mechanical properties working in unison at the nanoscale to determine the heat transport characteristics at dissimilar metal-ceramic interfaces, " said Anupama B. Kaul, a program director for the Division of Electrical, communicatie, and Cyber Systems at the NSF Directorate for Engineering. "The fact that the organic nanomolecular layer is just a monolayer in thickness and yet has such an important influence on the thermal characteristics is truly remarkable. Dr. Ramanath's results should be particularly valuable in nanoelectronics where heat management due to shrinking device dimensions continues to be an area of active research."