Wanneer ingenieurs apparaten ontwerpen, ze moeten vaak twee materialen samenvoegen die met verschillende snelheden uitzetten en krimpen als de temperatuur verandert. Dergelijke thermische verschillen kunnen problemen veroorzaken als, bijvoorbeeld, een halfgeleiderchip is aangesloten op een socket die niet snel genoeg kan uitzetten en samentrekken om een ​​ononderbroken contact in de tijd te behouden.

De kans op falen op dergelijke kritieke kruispunten is toegenomen naarmate apparaten zijn gekrompen tot de nanoschaal, subtiele krachten in het spel brengen die aan atomen en moleculen trekken, spanningen veroorzaken die moeilijk waar te nemen zijn, veel minder vermijden.

Schrijven in de Proceedings van de National Academy ( PNAS ), Stanford-ingenieurs rapporteren over het creëren van koolstofnanobuisstructuren die sterk en soepel blijven op deze kritieke interfaces waar thermische stress intrinsiek is aan het ontwerp.

"Denk aan het koellichaam voor een microprocessor, " zei senior PNAS auteur Kenneth Goodson, Professor en Bosch Chair of Mechanical Engineering aan Stanford. "Het wordt gedurende lange tijd blootgesteld aan hoge warmtestromen, en herhaalde gevallen van verwarming en koeling."

Op dit moment zijn materialen zoals soldeer en gels gebruikt op dergelijke knooppunten. Maar terwijl elektronica steeds kleiner wordt, meer elektrisch vermogen wordt door kleinere circuits geduwd, materialen onder steeds toenemende thermische belasting te plaatsen.

"Soldeer heeft een hoge thermische geleidbaarheid, maar het is stijf, " Goodson zei, uitleggen waarom zijn lab blijft experimenteren met enkelwandige koolstofnanobuisjes. Vlak daarvoor PNAS bijdrage, zijn team beschreef de gunstige thermische eigenschappen van nanobuisjes in een artikel voor Beoordelingen van Moderne Natuurkunde (Vol. 85, blz. 1296-1327).

Nanobuisjes zijn oneindig dunne strengen koolstofatomen die het potentieel hebben om efficiënt warmte te geleiden. Ze zijn ook sterk voor hun grootte, en kunnen flexibel zijn, afhankelijk van hoe ze zijn vervaardigd.

de Stanford PNAS paper was gebaseerd op experimenten en simulaties die waren ontworpen om te onthullen hoe koolstofnanobuisstructuren (CNT's) kunnen worden gemaakt met de optimale mix van alle drie de kenmerken - sterkte, flexibiliteit, en warmtegeleiding – die nodig zijn in kritieke situaties waar thermische belasting een feit is.

De Stanford-paper vertegenwoordigt ongeveer vijf jaar teamwork gecentreerd in de Stanford Mechanical Engineering Department, inclusief experimenten onder leiding van eerste auteur Yoonjin Won, die toen doctoraalstudent werktuigbouwkunde was.

Ze gebruikte een verscheidenheid aan bestaande technieken om CNT's met verschillende structurele kenmerken te assembleren, en vervolgens de flexibiliteit (ook wel modulus genoemd) en thermische geleidbaarheid van elke structuur gemeten om de optimale structuur te zoeken.

Aan de natuur overgelaten, de koolstofatomen die CNT's vormen, zullen structuren creëren die - als we ze zouden kunnen zien - op een kom spaghetti lijken.

Maar Won werkte samen met medewerkers van de Universiteit van Tokyo om CNT's te maken die relatief eerlijk opgroeiden, zoals grassen. Er was nog steeds sprake van enige verstrengeling. Nauwkeurige controle van de CNT-groei blijft buiten het bereik van de wetenschap.

Hoe dan ook, Won's experimenten toonden aan dat langere CNT's, minder dicht op elkaar gegroeid, leek de beste combinatie van flexibiliteit te hebben, warmtegeleiding en sterkte, voor gebruik in elektronica en andere industriële toepassingen waar thermische belasting wordt verwacht.

Tot op zekere hoogte vertegenwoordigen haar bevindingen een afweging. dichter, kortere CNT-structuren zijn sterker en efficiënter in het afvoeren van warmte. Maar ze zijn ook meer verstrikt en stijver. De experimentele resultaten van Won toonden aan dat naarmate de CNT-strengen langer werden, ze hadden de neiging om rechter te worden en waren minder verward, waardoor de flexibiliteit van de structuur werd vergroot, zij het met enkele aanvaardbare verliezen in de andere twee parameters.

Omdat het uiteindelijke doel van dit werk is om te onthullen hoe CNT-structuren kunnen worden geoptimaliseerd voor gebruik als materialen voor thermische overdracht, het Stanford-team bouwde een computersimulatie van het CNT-assemblageproces met het oog op het begrijpen hoe de CNT's verbogen en verstrikt raakten ondanks pogingen om ze recht te laten groeien.

Het werk aan de simulatie werd geleid door Wei Cai, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan Stanford, die een hoffelijkheidsaanstelling heeft in materiaalkunde en techniek. De wetenschappers van Stanford wilden de manier begrijpen waarop van der Waals-krachten de groei van CNT's beïnvloeden.

Deze krachten zijn genoemd naar de Nederlandse natuurkundige die als eerste de zwakke aantrekkingen tussen moleculen beschreef - aantrekkingen die niet verklaard konden worden door andere bekende krachten, zoals de chemische bindingen die ontstaan ​​wanneer atomen elektronen delen.

Cai zei dat terwijl van der Waals-krachten misschien niet kritisch zijn in andere soorten constructies, koolstofnanobuisjes zijn zo dun - slechts een atoom of zo dik in diameter - dat deze minieme krachten ze fundamenteel kunnen beïnvloeden.

Dat is in feite wat de simulatie liet zien. Stel je een CNT voor die probeert recht te groeien, alleen om naar één kant te worden gebogen door de van der Waal-aantrekkingskracht van een andere CNT-overgang nabij de top, en misschien naar de andere kant gebogen door een andere CNT die zijn bodem nadert.

Bij elkaar genomen, de experimentele resultaten en computersimulatie versterken de bevindingen dat langer, minder verstrengelde CNT's zouden de beste mix van de gewenste eigenschappen bieden, sterkte, flexibiliteit en warmteoverdracht. Maar door de van der Waals-krachten die op deze atoomdikke koolstofbuizen werken, ingenieurs zullen enige buiging en onregelmatigheid moeten accepteren terwijl ze ernaar streven om werkbare, hoewel minder dan ideaal, constructies voor het afvoeren van warmte.

"Als je over nanotechnologie hoort, gaat het meestal over de superlatieven, de sterkste dit, de dunste, " zei Goodson. "Maar we denken dat de antwoorden zullen liggen in het vinden van de juiste combinaties van eigenschappen, iets dat sterk is en warmte geleidt als metaal, maar kan ook buigen en buigen."