Een paar aanpassingen op nanoschaal zijn misschien alles wat nodig is om grafeen-nanobuis-overgangen te laten uitblinken in het overbrengen van warmte, volgens wetenschappers van Rice University.

Het Rice-lab van theoretisch fysicus Boris Yakobson ontdekte dat het plaatsen van een kegelachtige "schoorsteen" tussen het grafeen en de nanobuis bijna een barrière elimineert die voorkomt dat warmte ontsnapt.

Het onderzoek verschijnt in de American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry C .

Warmte wordt overgedragen via fononen, quasideeltjesgolven die ook geluid uitzenden. De Rice-theorie biedt een strategie om schadelijke warmte weg te leiden van nano-elektronica van de volgende generatie.

Zowel grafeen- als koolstofnanobuisjes bestaan ​​uit zes-atoomringen, die een kippengaas uiterlijk creëren, en beide blinken uit in de snelle overdracht van elektriciteit en fononen.

Maar als een nanobuisje uit grafeen groeit, atomen vergemakkelijken de draai door in plaats daarvan zevenhoekige (zeven-ledige) ringen te vormen. Wetenschappers hebben vastgesteld dat bossen van nanobuisjes die zijn gekweekt uit grafeen uitstekend geschikt zijn voor het opslaan van waterstof voor energietoepassingen, maar in de elektronica de zevenhoeken verspreiden fononen en belemmeren de ontsnapping van warmte door de pilaren.

De Rice-onderzoekers ontdekten via computersimulaties dat het verwijderen van atomen hier en daar uit de tweedimensionale grafeenbasis een kegel zou forceren om zich tussen het grafeen en de nanobuis te vormen. De geometrische eigenschappen (ook bekend als topologie) van de overgangen van grafeen naar kegel en kegel naar nanobuis vereisen hetzelfde totale aantal heptagons, maar ze zijn dunner uit elkaar geplaatst en laten een duidelijk pad van zeshoeken vrij om warmte door de schoorsteen te laten stromen.

"Onze interesse in het bevorderen van nieuwe toepassingen voor laagdimensionale koolstoffullerenen, nanobuisjes en grafeen - is breed, Yakobson zei. "Een manier is om ze te gebruiken als bouwstenen om driedimensionale ruimtes te vullen met verschillende ontwerpen, anisotroop creëren, niet-uniforme steigers met eigenschappen die geen van de huidige bulkmaterialen heeft. In dit geval, we bestudeerden een combinatie van nanobuisjes en grafeen, verbonden door kegels, gemotiveerd door het zien van dergelijke vormen die zijn verkregen in de experimentele laboratoria van onze collega's."

De onderzoekers testten fonongeleiding door simulaties van vrijstaande nanobuisjes, grafeen met pilaren en nano-schoorstenen met een kegelstraal van 20 of 40 angstrom. Het gepileerde grafeen was 20 procent minder geleidend dan gewone nanobuisjes. De nano-schoorstenen met 20 angström waren net zo geleidend als gewone nanobuisjes, terwijl kegeltjes met 40 anström 20 procent beter waren dan de nanobuisjes.

"De afstembaarheid van dergelijke structuren is vrijwel onbeperkt, voortkomend uit de enorme combinatorische mogelijkheden van het rangschikken van de elementaire modules, " zei Alex Kutana, een Rice-onderzoeker en co-auteur van de studie. "De werkelijke uitdaging is om de meest bruikbare structuren te vinden met een groot aantal mogelijkheden en deze vervolgens betrouwbaar in het laboratorium te maken.

"In het onderhavige geval de fijnafstemmingsparameters kunnen kegelvormen en stralen zijn, nanobuis het uit elkaar plaatsen, lengtes en diameters. interessant, de nano-schoorstenen werken ook als thermische diodes, met warmte die sneller in de ene richting stroomt dan in de andere, " hij zei.

Rice afgestudeerde student Ziang Zhang is hoofdauteur van het artikel. Ajit Roy, een hoofdingenieur materiaalonderzoek bij het Air Force Research Laboratory in Dayton, Ohio, is co-auteur. Yakobson is de Karl F. Hasselmann hoogleraar materiaalkunde en nano-engineering en een hoogleraar scheikunde.

Het Air Force Office of Scientific Research en het Multidisciplinair Universitair Onderzoeksinitiatief ondersteunden het onderzoek. Berekeningen werden uitgevoerd op de door Rice's National Science Foundation ondersteunde DAVinCI-supercomputer, beheerd door het Center for Research Computing, aangeschaft in samenwerking met het Ken Kennedy Institute for Information Technology.