Ristede partikler kan være velsignet for kraftværker

Sommetider, en simpel beslutning om at prøve noget utraditionelt kan føre til en betydelig opdagelse.

En velkendt metode til fremstilling af kølelegemer til elektroniske enheder er en proces kaldet sintring, hvor pulveriseret metal formes til en ønsket form og derefter opvarmes i et vakuum for at binde partiklerne sammen. Men i et eksperiment for nylig nogle studerende forsøgte at sintre kobberpartikler i luften og fik en stor overraskelse.

I stedet for den forventede massive metalform, hvad de fandt var en masse partikler, der var vokset lange whiskers af oxideret kobber. "Det var lidt serendipitøst, ”Siger Kripa Varanasi, d’Arbeloff Adjunkt i maskinteknik ved MIT. ”Vi har de skøre ting, partikler dækket af nanotråde, ”Siger han.

Den resulterende proces kan vise sig at være en vigtig ny metode til fremstilling af strukturer, der spænder over en række størrelser ned til et par nanometer (milliarder af en meter) i størrelse. ”Du går i et trin fra fast sfærisk pulver til meget komplekse strukturer, ”Siger Christopher Love, en maskinteknisk kandidatstuderende, der er hovedforfatter på papiret. ”Processen er meget enkel, og strukturerne er holdbare, ”Siger han. Disse nye strukturer kan bruges til at styre varmestrømmen i forskellige applikationer lige fra kraftværker til køling af elektronik.

Ikke kun var partiklerne dækket med fine ledninger, men ledningernes overflod viste sig at være afhængig af størrelsen af ​​de originale kobberpartikler. ”Vi er de første til at observere en størrelsesafhængig oxidation i kobber, ”Siger Varanasi. Det betyder, at forskere let kan syntetisere porøse strukturer i forskellige skalaer, i løs vægt, ved at vælge partiklerne, de starter med:Partikler mindre end en bestemt sinter, mens større partikler vokser nanotråde.

Opdagelsen er rapporteret i et papir, der offentliggøres i tidsskriftet RSC Nanoscale. Udover Varanasi og kærlighed, papirets forfattere er maskiningeniørstuderende J. David Smith og postdoc Yuehua Cui fra Laboratory for Manufacturing and Productivity.

Sådanne hierarkiske strukturer kan være meget effektive til termisk styring, afkøling af alt fra mikroprocessorer til kedler fra enorme kraftværker. De kan endda vise sig nyttige i konstrueret geotermisk kraft, som har et stort løfte som et system til at levere ren, vedvarende strøm. Fordi de resulterende strukturer er så lette at kontrollere, "Du kan optimere dem til at kontrollere fænomener, der finder sted i forskellige længder og tidsskalaer, ”Siger Varanasi.

Mens væksten af ​​nanotråde på bulk kobberplader var blevet observeret før, Varanasi siger, dette er første gang, det er blevet observeret på tværs af forskellige størrelsesskalaer på én gang, og første gang er processen blevet analyseret og forklaret. "Der har været en masse forskellige teorier om, hvordan disse nanotråde vokser, ”Siger han. Men nu, "Dette papir fastslog grundigt", hvad mekanismen er for kobberpartikler:Børsten vokser udad gennem diffusion, efterlader partiklerne hule i midten, når metallet vandrer udad.

Teamet tester nu den samme proces med andre materialer. For eksempel, hvis det fungerer med zirkonium - det metal, der nu bruges som beklædning til brændstofstænger i atomreaktorer - kan det hjælpe med at forbedre varmeoverførslen. I en atomreaktor, hvor denne proces driver møller og producerer strøm, et sådant fremskridt kan øge reaktorernes samlede effektivitet.

Udover termostyring, disse resultater kunne bidrage til at optimere visse katalytiske processer, Siger Varanasi.

Suresh Garimella, en professor i maskinteknik ved Purdue University, der ikke var involveret i denne forskning, siger, at "enkel og potentielt omkostningseffektiv karakter af metoden" til dyrkning af kobber-nanotråde "gør resultaterne betydelige, ”Med potentielle anvendelser, herunder katalyse og termisk styring.

Brent Segal, chefteknolog hos Lockheed Martin Nanosystems i Billerica, Masse., siger, at dette er "betydeligt arbejde med at kontrollere de elektriske egenskaber og termiske egenskaber" af materialer, og muligvis også deres optiske egenskaber. Sådan kontrol, fra den mikroskopiske til den nanoskopiske skala-en tusind gange større størrelse-"er ikke set før" i en enkelt proces, han siger.

Da vi så holdets beskrivelse af denne nye teknik, Segal siger, ”Du tænker straks, 'Jeg vil prøve 75 andre materialer' "for at se, om de fungerer på en lignende måde. "Jeg tror, ​​at 100 forskellige laboratorier rundt om i landet vil prøve alt, hvad de har på hylden" ved hjælp af denne teknik, tilføjer han.

Arbejdet blev understøttet af MIT Deshpande Center, en DARPA Young Faculty Award, MIT Energy Initiative, og et National Science Foundation kandidat forskningsstipendium.