Ny metode til at forbedre termisk ledningsevne kunne afkøle computerchips, lasere og andre enheder

Den overraskende opdagelse af en ny måde at tune og forbedre termisk ledningsevne - en grundlæggende egenskab, der generelt anses for at være fast for et givet materiale - giver ingeniører et nyt værktøj til at håndtere termiske effekter i smartphones og computere, lasere og en række andre drevne enheder.

Fundet blev gjort af en gruppe ingeniører ledet af Deyu Li, lektor i maskinteknik ved Vanderbilt University, og publiceret online i tidsskriftet Natur nanoteknologi den 11. dec.

Li og hans samarbejdspartnere opdagede, at den termiske ledningsevne af et par tynde strimler af materiale kaldet bor-nanobånd kan forbedres med op til 45 procent afhængigt af den proces, de brugte til at klæbe de to bånd sammen. Selvom forskningen blev udført med bor nanobånd, resultaterne er generelt anvendelige til andre tyndfilmsmaterialer.

En helt ny måde at kontrollere termiske effekter "Dette peger på en helt ny måde at kontrollere termiske effekter på, som sandsynligvis vil have en betydelig indflydelse i mikroelektronik på designet af smartphones og computere, i optoelektronik om design af lasere og LED'er, og på en række andre områder, " sagde Greg Walker, lektor i maskinteknik ved Vanderbilt og en ekspert i termisk transport, som ikke var direkte involveret i forskningen.

Ifølge Li, den kraft, der holder de to nanoribbons sammen, er en svag elektrostatisk tiltrækning kaldet van der Waals -kraften. (Dette er den samme kraft, der tillader gekkoen at gå op ad vægge.)

"Traditionelt det er en udbredt opfattelse, at fononerne, der bærer varme, er spredt ved van der Waals grænseflader, hvilket gør båndbundternes varmeledningsevne den samme som hvert bånds. Det, vi opdagede, står i skarp kontrast til denne klassiske opfattelse. Vi viser, at fononer kan krydse disse grænseflader uden at blive spredt, hvilket forbedrer den termiske ledningsevne markant, " sagde Li. Derudover forskerne fandt ud af, at de kunne kontrollere den termiske ledningsevne mellem en høj og en lav værdi ved at behandle grænsefladen mellem nanobåndparrene med forskellige løsninger.

Forbedringen er fuldstændig reversibel

Et af de bemærkelsesværdige aspekter af den effekt, Li opdagede, er, at den er reversibel. For eksempel, da forskerne fugtede grænsefladen af ​​et par nanobånd med isopropylalkohol, pressede dem sammen og lod dem tørre, den termiske ledningsevne var den samme som for et enkelt nanobånd. Imidlertid, når de fugtede dem med ren alkohol og lod dem tørre, varmeledningsevnen blev forbedret. Derefter, da de fugtede dem med isopropylalkohol igen, den termiske ledningsevne faldt tilbage til den oprindelige lave værdi.

"Det er meget vanskeligt at tune en grundlæggende materialeegenskab såsom termisk ledningsevne og den påviste tunerbare termiske ledningsevne gør forskningen særlig interessant, " sagde Walker.

Et af de første områder, hvor denne nye viden sandsynligvis vil blive anvendt, er i termisk styring af mikroelektroniske enheder som computerchips. I dag, milliarder til billioner af transistorer sidder fast i chips på størrelse med en fingernegl. Disse chips genererer så meget varme, at en af ​​de vigtigste faktorer i deres design er at forhindre overophedning. Faktisk, varmestyring er en af ​​hovedårsagerne bag nutidens multi-core processordesign.

"En bedre forståelse af termisk transport på tværs af grænseflader er nøglen til at opnå bedre termisk styring af mikroelektroniske enheder, " sagde Li.

Discovery kan forbedre design af nanokompositter

Et andet område, hvor opdagelsen vil være vigtig, er i designet af "nanokompositter" - materialer fremstillet ved at indlejre nanostrukturadditiver såsom carbon nanorør til et værtsmateriale såsom forskellige polymerer - der udvikles til brug i fleksible elektroniske enheder, strukturelle materialer til rumfartskøretøjer og en række andre applikationer.