Onderzoekers ontdekten dat de thermische geleidbaarheid van superatoomkristallen direct gerelateerd is aan de rotatiestoornis binnen die structuren. De bevindingen zijn gepubliceerd in een artikel in Natuurmaterialen deze week.

Jonathan A. Malen, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde van de Carnegie Mellon University, was een corresponderende auteur van het artikel met de titel "Orientational order controleert kristallijn en amorf thermisch transport in superatomaire kristallen."

Superatoomkristallen zijn periodieke of regelmatige arrangementen van C ₆₀ fullerenen en anorganische moleculaire clusters van vergelijkbare grootte. De nanometer grootte C ₆₀ s zien eruit als voetballen met C-atomen op de hoekpunten van elke zeshoek en vijfhoek.

"Er zijn twee bijna identieke formaties, een met roterende (d.w.z. oriënterend ongeordende) C ₆₀ s en een met vaste C ₆₀ s, " zei Malen. "We ontdekten dat de formatie met roterende C60's een lage thermische geleidbaarheid heeft, terwijl de formatie met vaste C ₆₀ s heeft een hoge thermische geleidbaarheid."

Hoewel rotatiestoornis bekend is in bulk C ₆₀ , dit is de eerste keer dat het proces is gebruikt om zeer verschillende thermische geleidbaarheid te creëren in structureel identieke materialen.

Stel je een rij mensen voor die van het ene uiteinde naar het andere lopen. Stel je nu een tweede rij voor waar elke persoon ronddraait - sommige met de klok mee, sommige tegen de klok in, wat snel, en wat traag. Het zou heel moeilijk zijn om een ​​zandzak langs die lijn te verplaatsen.

"Dit is vergelijkbaar met wat er gebeurt met thermische geleidbaarheid in de superatomen, " legt Malen uit. "Het is gemakkelijker om warmte-energie langs een vast patroon over te dragen dan een ongeordend patroon."

Xavier Roy, universitair docent scheikunde aan de Columbia University, de andere corresponderende auteur van de studie, creëerde de superatoomkristallen in zijn laboratorium door de bouwstenen te synthetiseren en samen te voegen tot de hiërarchische superstructuren.

"Superatom-kristallen vertegenwoordigen een nieuwe klasse materialen met potentieel voor toepassingen in duurzame energieopwekking, energie opslag, en nano-elektronica, "zei Roy. "Omdat we een enorme bibliotheek van superatomen hebben die zichzelf kunnen assembleren, deze materialen bieden een modulaire aanpak om complexe maar afstembare atomair nauwkeurige structuren te creëren."

De onderzoekers denken dat deze bevindingen zullen leiden tot verder onderzoek naar de unieke elektronische en magnetische eigenschappen van bovengestructureerde materialen. Een toekomstige toepassing zou een nieuw materiaal kunnen zijn dat zou kunnen veranderen van een thermische geleider naar een thermische isolator, het openen van het potentieel voor nieuwe soorten thermische schakelaars en transistors.

"Als we de rotatiestoornis actief zouden kunnen beheersen, we zouden een nieuw paradigma voor thermisch transport creëren, ' zei Malen.

Voor meer informatie, lees het artikel:"Oriëntatieorde regelt kristallijn en amorf thermisch transport in superatomaire kristallen, " Natuurmaterialen (2016).

Andere Carnegie Mellon-onderzoekers waren onder meer postdoctoraal onderzoeker en alumnus Wee-Liat Ong, Patrick SM Dougherty, Alan J.H. McGaughey, en C. Fred Higgs. Ong wordt gezamenlijk geadviseerd door Malen en Roy als onderdeel van een MRSEC-beurs van de National Science Foundation onder leiding van Columbia University. Andere onderzoekers van de Columbia University waren E. O'Brien en D. Paley.