Onderzoekers hebben het al lang bestaande raadsel opgelost hoe de grens tussen grafeenkorrels de warmtegeleiding in dunne films van de wondersubstantie beïnvloedt - waardoor ontwikkelaars een stap dichter bij het kunnen bouwen van films op een schaal die nuttig is voor het koelen van micro-elektronische apparaten en honderden andere nano-tech toepassingen.

De studie, door onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Chicago, de Universiteit van Massachusetts-Amherst en Boise State University, wordt online gepubliceerd in Nano-letters .

Sinds zijn ontdekking, grafeen - een enkele laag koolstofatomen verbonden in een kippengaaspatroon - heeft grote belangstelling gewekt vanwege zijn fenomenale vermogen om warmte en elektriciteit te geleiden. Vrijwel elk nanotech-apparaat zou kunnen profiteren van het buitengewone vermogen van grafeen om warmte af te voeren en de elektronische functie te optimaliseren, zegt Poya Yasaei, UIC-afgestudeerde student werktuigbouwkunde en industriële techniek en eerste auteur op het papier.

Over twee jaar, multidisciplinair onderzoek, de onderzoekers ontwikkelden een techniek om warmteoverdracht over een enkele korrelgrens te meten - en waren verrast toen ze ontdekten dat het een orde van grootte was - een volledige 10 keer - lager dan de theoretisch voorspelde waarde. Vervolgens bedachten ze computermodellen die de verrassende waarnemingen van atomair tot apparaatniveau kunnen verklaren.

Grafeenfilms voor nanotech-toepassingen bestaan ​​uit veel kleine grafeenkristallen, zegt Amin Salehi-Khojin, UIC-assistent-professor mechanische en industriële techniek en hoofdonderzoeker van het onderzoek. Het produceren van films die groot genoeg zijn voor praktisch gebruik introduceert gebreken aan de grenzen tussen de kristallen waaruit de film bestaat.

Het team van Salehi-Khojin ontwikkelde een fijn afgestemd experimenteel systeem dat een grafeenfilm op een siliciumnitraatmembraan van slechts vier miljoenste van een inch dik legt en de overdracht van warmte van het ene grafeenkristal naar het andere kan meten. Het systeem is gevoelig voor zelfs de kleinste verstoringen, zoals een korrelgrens op nanometerschaal, zegt co-auteur Reza Hantehzadeh, een voormalige UIC-afgestudeerde student die nu bij Intel werkt.

Als twee kristallen netjes op een rij staan, warmteoverdracht vindt plaats zoals voorspeld door de theorie. Maar als de twee kristallen verkeerd uitgelijnde randen hebben, de warmteoverdracht is 10 keer minder.

Om rekening te houden met het verschil in grootteorde, een team onder leiding van Fatemeh Khalili-Araghi, UIC-assistent-professor natuurkunde en co-hoofdonderzoeker op het papier, bedacht een computersimulatie van warmteoverdracht tussen korrelgrenzen op atomair niveau.

De groep van Khalili-Araghi ontdekte dat wanneer de computer korrelgrenzen "bouwde" met verschillende niet-overeenkomende hoeken, de korrelgrens was niet zomaar een lijn, het was een gebied van ongeordende atomen. De aanwezigheid van een wanordelijke regio had een significante invloed op de warmteoverdrachtssnelheid in hun computermodel en kan de experimentele waarden verklaren.

"Met grotere niet-overeenkomende hoeken, dit wanordelijke gebied kan nog breder of meer wanordelijk zijn, " ze zei.

Om niet-overeenkomende korrelgrenzen en natuurlijke warmteoverdracht realistisch te simuleren, het was nodig om de synthese van een groot gebied van grafeenfilm te modelleren, met korrels die groeien en samenvloeien - een zeer complexe simulatie, Khalili-Araghi zei:waarvoor de "enorme rekenkracht" van UIC's High Performance Computing Cluster nodig was.

"Met onze simulatie kunnen we precies zien wat er op atomair niveau gebeurt, " zei co-auteur Arman Fathizadeh, UIC postdoctoraal onderzoeksmedewerker in de natuurkunde. "Nu kunnen we verschillende factoren verklaren:de vorm en grootte van de korrelgrenzen, en het effect van het substraat."