Grafeen met zuilen zou warmte beter overbrengen als het theoretische materiaal een paar asymmetrische verbindingen had die rimpels veroorzaakten, volgens Rice University-ingenieurs.

Rijstmateriaalwetenschapper Rouzbeh Shahsavari en alumnus Navid Sakhavand bouwden eerst computermodellen op atoomniveau van grafeen met pilaren - platen van grafeen verbonden door covalent gebonden koolstofnanobuizen - om hun sterkte en elektrische eigenschappen evenals hun thermische geleidbaarheid te ontdekken.

In een nieuwe studie, ze ontdekten dat het manipuleren van de verbindingen tussen de nanobuisjes en grafeen een aanzienlijke invloed heeft op het vermogen van het materiaal om warmte te sturen. Dat kan belangrijk zijn omdat elektronische apparaten krimpen en meer geavanceerde koellichamen nodig hebben.

Het onderzoek verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society ACS toegepaste materialen en interfaces .

Onderzoekers die grafeen met pilaren bestuderen of ermee bezig zijn om grafeen met pilaren te maken, hebben voornamelijk gekeken naar twee kenmerken van het theoretische materiaal:de lengte van de pilaren en hun afstand tot elkaar. De nieuwe studie suggereert dat er ook rekening moet worden gehouden met een derde parameter - de aard van de kruising tussen grafeen en nanobuisjes.

Een naadloze verbinding tussen plat grafeen, de atoomdikke vorm van koolstof, en ronde nanobuisjes vereisen aanpassingen aan hun karakteristieke zesdelige koolstofringen. De eenvoudigste manier is om de helft van de ringen op de kruising een extra atoom te geven. Zes zevendelige ringen afgewisseld met zes zesdelige ringen zorgen ervoor dat de plaat een bocht van 90 graden kan maken om de buis te worden.

Maar dat is niet de optimale configuratie voor warmtetransport, volgens het Rice-team. Het ontdekte dat het vervangen van zes zevenhoeken door drie achthoeken de draai zou vergemakkelijken en het grafeen enigszins zou benadrukken. Dat zou de boven- en onderkant van de grafeenplaten kreuken, terwijl het transport op de kruispunten niet significant verandert.

De onderzoekers verwachtten intuïtief dat de rimpels het thermisch transport zouden verminderen en waren verrast toen ze ontdekten dat het thermische transport over het "in-plan" grafeen sneller werd met rimpels. Ze stelden vast dat het hebben van minder ringen in de verbindingen tussen nanobuisjes en grafeen minder verstrooiing van warmtedragende fononen betekende, die hen aan boord hield voor de hobbelige rit.

Gemeten langs het langste vlak, modellen met de achthoeken waren bijna 20 procent beter in het transporteren van fononen dan die zonder. "Onze resultaten laten zien dat subtiele kenmerken zoals deze knooppuntconfiguratie een significante impact hebben op thermisch transport, " zei Shahsavari, een assistent-professor civiele en milieutechniek en materiaalkunde en nano-engineering. "Gezien de huidige behoeften op het gebied van thermisch beheer en apparaatminiaturisatie in veel nano- en micro-elektronica, deze studie biedt een nieuwe mate van vrijheid om te spelen en het thermisch transport te verbeteren."

De onderzoekers dachten dat fonontransport door de nanobuisjes, waarvan ze al wisten dat het langzamer was dan in grafeen, onder invloed van de achthoeken nog langzamer kan zijn, maar de gewijzigde interface leek geen significant effect te hebben.

"De reden ligt in de geometrie, Shahsavari zei. "Hoe lager het aantal niet-hexagonale ringen in de kruising (bijvoorbeeld drie achthoeken versus zes zevenhoeken), hoe lager het aantal ongewenste ringen en dus minder fononverstrooiing en verbeterd thermisch transport." Omdat de juncties veel verschillende geometrieën kunnen aannemen, afhankelijk van de straal en chiraliteit van de nanobuis, er zijn nog veel meer mogelijke configuraties om te modelleren, hij zei.