Baratunde Cola wil graag zand in je computer stoppen. Geen strandzand, maar siliciumdioxide-nanodeeltjes gecoat met een polymeer met een hoge diëlektrische constante om goedkoop verbeterde koeling te bieden voor steeds meer energieverslindende elektronische apparaten.

Het siliciumdioxide doet de koeling niet zelf. In plaats daarvan, de unieke oppervlakte-eigenschappen van het gecoate materiaal op nanoschaal geleiden de warmte met een potentieel hoger rendement dan bestaande koellichaammaterialen. De theoretische fysica achter het fenomeen is ingewikkeld, met elektromagnetische effecten op nanoschaal die worden gecreëerd op het oppervlak van de kleine siliciumdioxidedeeltjes die samenwerken.

De bottom line zou een potentieel nieuwe klasse van materialen met een hoge thermische geleidbaarheid kunnen zijn die nuttig zijn voor warmteafvoer van vermogenselektronica, LED's en andere toepassingen met hoge warmtestromen.

"We hebben voor het eerst aangetoond dat je een verpakt nanodeeltjesbed kunt nemen dat normaal gesproken als een isolator zou werken, en door licht sterk in het materiaal te laten koppelen door een medium met een hoge diëlektrische constante zoals water of ethyleenglycol aan de oppervlakken te ontwerpen, je kunt van het nanodeeltjesbed een geleider maken, " zei Cola, een universitair hoofddocent aan de Woodruff School of Mechanical Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "Gebruikmakend van het collectieve oppervlakte-elektromagnetische effect van de nanodeeltjes, de thermische geleidbaarheid kan 20-voudig toenemen, waardoor het warmte kan afvoeren."

Het onderzoek, waarbij zowel theorie als experiment betrokken waren, wordt gerapporteerd in het juli-nummer van het tijdschrift Materialen Horizons , en werd benadrukt in het 8 juli nummer van het tijdschrift Science. Het werk werd ondersteund door het Air Force Research Laboratory en de U.S. Air Force. Co-auteurs zijn onder meer professor James Hammonds aan de Howard University, en afgestudeerde studenten Eric Tervo van Georgia Tech en Olalekan Adewuyi van Howard University.

In de afgelopen jaren, theoretische artikelen hebben het vermogen voorspeld van fonon-polaritonen aan het oppervlak om de thermische geleiding te verhogen in nanomaterialen gemaakt van polaire materialen zoals siliciumdioxide. Polaritonen zijn kwantumquasideeltjes die worden geproduceerd door sterke koppeling van elektromagnetische golven met een elektrische of magnetische dipooldragende excitatie. In het specifieke geval van oppervlaktefononpolaritonen, de elektromagnetische golven zijn gekoppeld aan een bepaalde frequentie en polarisatie van trillende atomen in het materiaal dat bekend staat als optische fononen. Wanneer materialen worden verkleind tot afmetingen onder de 100 nanometer, de oppervlakte-eigenschappen van het materiaal domineren over bulkeigenschappen, waardoor fononen van warmte van deeltje naar deeltje kunnen stromen in het dicht opeengepakte bed met behulp van de gekoppelde elektromagnetische golven.

Hoewel onderzoekers vanwege experimentele problemen niet eerder de warmtestroom van fonon-polaritonen aan het oppervlak konden meten, ze hebben hun golfvoortplanting waargenomen wanneer licht het oppervlak van een nanostructuurmateriaal raakt, suggereert een mogelijke rol in warmteafvoer. Naast de eerste meting van de warmtestroom, Cola en zijn medewerkers ontdekten ook dat het effect kan optreden wanneer thermische energie wordt toegevoegd aan een verpakt bed van nanodeeltjes.

"Wat we ook voor het eerst laten zien, is dat wanneer je nanodeeltjes van het juiste type in een gepakt bed hebt, dat je er geen licht op hoeft te schijnen, " legde hij uit. "Je kunt de nanodeeltjes gewoon opwarmen en de thermische zelfemissie activeert het effect. Van deze warmtestraling creëer je een elektrisch veld rond de nanodeeltjes."

De onderzoekers besloten te experimenteren met die bijzondere eigenschappen, eerst water gebruiken om de nanodeeltjes te coaten en het siliciumdioxide nanodeeltjesbed in een geleider te veranderen. Maar de watercoating was niet robuust, dus schakelden de onderzoekers over op ethyleenglycol, een vloeistof die vaak wordt gebruikt in antivries voor voertuigen. De nieuwe combinatie verhoogde de warmteoverdracht met een factor 20 tot ongeveer één watt per meter-kelvin, die hoger is dan de waarde die nanodeeltjes van ethyleenglycol of siliciumdioxide alleen zouden kunnen produceren, en concurrerend met dure polymeercomposieten die worden gebruikt voor warmteafvoer.

"Je zou in principe een elektronisch apparaat kunnen nemen, pak deze met ethyleenglycol gecoate nanodeeltjes in de luchtruimte, en het zou nuttig zijn als warmteafvoermateriaal dat tegelijkertijd, geleidt geen elektriciteit, "zei Cola. "Het materiaal heeft het potentieel om erg goedkoop te zijn en gemakkelijk om mee te werken."

Er is gekozen voor siliciumdioxide omdat het kristalrooster ervan bij ongeveer kamertemperatuur resonante optische fononen kan genereren - die nodig zijn voor het effect -. Er kunnen ook andere materialen worden gebruikt, maar de siliciumdioxide-nanodeeltjes bieden een goed compromis tussen eigenschappen en kosten.

"De resonantiefrequentie, omgerekend naar de warmtestralingstemperatuur voor siliciumdioxide, ligt rond de 50 graden Celsius, "zei Cola. "Met dit materiaal, we kunnen dit effect inschakelen bij een temperatuurbereik dat een micro-elektronisch apparaat waarschijnlijk zal zien."

Hoewel de ethyleenglycol goed werkt, het zal uiteindelijk verdampen. Om die reden, Cola is van plan om polymere materialen te identificeren die kunnen worden geadsorbeerd aan de siliciumdioxide-nanodeeltjes om een ​​stabielere coating te bieden met een redelijke levensduur van het product.

Het effect hangt af van de collectieve actie van de siliciumdioxide-nanodeeltjes.

"We tonen in feite een macroscopische vertaling van een effect op nanoschaal, Cola zei. "Ook al is het nanodeeltjesbed een bulkassemblage, het is een bulkassemblage met veel intern oppervlak. Het interne oppervlak is de poort waardoor het interageert met het elektromagnetische veld - het licht en de warmte."

Tot dusver, het effect is aangetoond in kleine hoeveelheden siliciumdioxide-nanodeeltjes. Een andere stap zou zijn om het onderzoek op te schalen om aan te tonen dat warmte over langere afstanden kan worden overgedragen in grotere volumes van het materiaal, zei Cola.

"De snelheid waarmee de thermische energie van de ene kant van het deeltje naar de andere kant van het deeltje gaat, is constant in het hele nanodeeltjesbed, dus het zou niet uit moeten maken hoe dik het nanodeeltjesbed is, " legde hij uit. "Als deze deeltjes dicht genoeg bij elkaar zijn, hun modi zijn gekoppeld, waardoor de energie kan worden getransporteerd."

Verdere tests zouden nodig zijn om de efficiëntie op lange termijn te garanderen en om te bevestigen dat er geen gevolgen zijn voor de betrouwbaarheid van de elektronische apparaten die met de techniek worden gekoeld, zei Cola.