Een nieuwe studie heeft aangetoond dat "golving" in bossen van verticaal uitgelijnde koolstofnanobuizen hun stijfheid drastisch vermindert, het beantwoorden van een al lang bestaande vraag over de kleine structuren.

In plaats van een nadeel te zijn, de golving kan de nanobuisarrays compliant maken en daarom bruikbaar als thermisch interfacemateriaal voor het wegleiden van warmte weg van toekomstige krachtige geïntegreerde schakelingen.

Metingen van nanobuisstijfheid, die wordt beïnvloed door een eigenschap die bekend staat als modulus, had gesuggereerd dat bossen van verticaal uitgelijnde nanobuisjes een veel hogere stijfheid zouden moeten hebben dan wat wetenschappers eigenlijk aan het meten waren. De verminderde effectieve modulus werd toegeschreven aan ongelijke groeidichtheid, en bij het knikken van de nanobuisjes onder compressie.

Echter, gebaseerd op experimenten, scanning elektronenmicroscoop (SEM) beeldvorming en wiskundige modellering, de nieuwe studie wees uit dat geknikte delen van nanobuisjes het primaire mechanisme kunnen zijn dat de modulus vermindert.

"Wij geloven dat het mechanisme dat deze nanobuisjes compliant maakt, een kleine knik in hun structuur is, " zei Suresh Sitaraman, een professor aan de Woodruff School of Mechanical Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "Hoewel ze perfect recht lijken, onder hoge vergroting vonden we golving in de koolstofnanobuisjes waarvan we denken dat het het verschil verklaart in wat wordt gemeten versus wat zou worden verwacht."

Het onderzoek, die werd ondersteund door het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), werd online gepubliceerd op 31 augustus 2013, in het journaal Koolstof . Het verschijnt later in de gedrukte editie van het tijdschrift.

Koolstofnanobuisjes bieden veel aantrekkelijke eigenschappen, inclusief hoge elektrische en thermische geleidbaarheid, en hoge sterkte. Individuele koolstofnanobuisjes hebben een modulus van 100 gigapascal tot 1,5 terapascal. Van arrays van verticaal uitgelijnde koolstofnanobuizen met een lage dichtheid wordt verwacht dat ze een effectieve modulus hebben van ten minste vijf tot 150 gigapascal, Sitaraman zei, maar wetenschappers hebben meestal waarden gemeten die vier orden of grootte minder zijn - tussen één en 10 megapascal.

Om te begrijpen wat deze variatie zou kunnen veroorzaken, Sitaraman en Ph.D. studenten Nicholas Ginga en Wei Chen bestudeerden bossen van koolstofnanobuisjes die bovenop een siliciumsubstraat waren gegroeid, bedekte vervolgens de uiteinden van de structuren met een andere laag silicium. Vervolgens gebruikten ze gevoelige testapparatuur - een nano-indenter - om monsters van de nanobuisjes samen te persen en hun stijfheid te meten. Afwisselend, ze plaatsten ook monsters van de silicium-nanobuis-sandwiches onder trekspanning - ze uit elkaar getrokken in plaats van ze samen te drukken.

Wat ze ontdekten was dat de effectieve modulus laag bleef - wel 10, 000 keer minder dan verwacht - ongeacht of de nanobuis-sandwiches werden samengedrukt of uit elkaar werden getrokken. Dat suggereert groeiproblemen, of knikken, kon de waargenomen verschillen niet volledig verklaren.

Om mogelijke verklaringen te zoeken, de onderzoekers onderzochten de koolstofnanobuizen met behulp van scanning-elektronenmicroscopen in de faciliteiten van het Georgia Tech Institute for Electronics and Nanotechnology. Bij een vergroting van 10, 000 keer, ze zagen de golving in delen van de nanobuisjes.

"We vonden heel kleine knikken in de koolstofnanobuisjes, "zei Sitaraman. "Hoewel ze perfect recht leken, er was golving in hen. Hoe meer golven we zagen, hoe lager hun stijfheid was."

Ze merkten ook op dat onder compressie, de nanobuisjes maken contact met elkaar, het gedrag van nanobuisjes beïnvloeden. Deze waarnemingen werden wiskundig gemodelleerd om te helpen verklaren wat er werd gezien in de verschillende bestudeerde omstandigheden.

"We hebben rekening gehouden met het contact tussen de koolstofnanobuisjes, "zei Chen. "Hierdoor konden we de extreme omstandigheden onderzoeken waaronder de vervorming van nanobuisjes wordt beperkt door de aanwezigheid van naburige nanobuisjes in het bos."

Hoewel het verlies van modulus een probleem lijkt, het kan zelfs nuttig zijn in toepassingen voor thermisch beheer, zei Sitaraman. Dankzij de conformiteit van de nanobuisjes kunnen ze aan één kant worden aangesloten op een geïntegreerde schakeling van silicium, en aan de andere kant worden verbonden met een koperen warmteverspreider. Door de flexibiliteit van de nanobuisjes kunnen ze bewegen als de bovenste en onderste structuren uitzetten en samentrekken met verschillende snelheden als gevolg van temperatuurveranderingen.

"Het mooie van de koolstofnanobuisjes is dat ze fungeren als veren tussen de siliciumchip en de koperen warmteverspreider, " zei Sitaraman. "Ze kunnen veel warmte geleiden vanwege de goede thermische eigenschappen, en op hetzelfde moment, ze zijn soepel en meegaand."

Koolstof nanobuisjes hebben een buitengewoon hoge thermische geleidbaarheid, maar liefst tien keer die van koper, waardoor ze ideaal zijn om warmte van de chips af te voeren.

"De vraag naar warmteafvoer uit frites blijft toenemen, " zei Ginga. "De industrie is op zoek naar nieuwe materialen en nieuwe technieken om toe te voegen aan hun gereedschapskist voor warmteoverdracht. Er zijn verschillende benaderingen nodig voor verschillende apparaten, en dit biedt de industrie een nieuwe manier om de uitdaging aan te gaan."