Carbon nanorør:Den underlige verden med fjern Joule -opvarmning

(Phys.org) - Et team af forskere fra University of Maryland har opdaget, at når elektrisk strøm køres gennem kulnanorør, genstande i nærheden varmes op, mens nanorørene selv forbliver kølige, som en brødrister, der brænder brød uden at blive varm. At forstå dette helt uventede nye fænomen kan føre til nye måder at bygge computerprocessorer på, der kan køre med højere hastigheder uden overophedning.

"Dette er et nyt fænomen, vi observerer, udelukkende på nanoskala, og det er helt i modstrid med vores intuition og viden om Joule-opvarmning i større skalaer-f.eks. i ting som din brødrister, "siger første forfatter Kamal Baloch, der gennemførte forskningen, mens han var kandidatstuderende ved University of Maryland. "Nanorørets elektroner hopper ud af noget, men ikke dens atomer. På en eller anden måde, atomerne i nabomaterialerne-siliciumnitrid-substratet-vibrerer og bliver varme i stedet. "

"Effekten er lidt underlig, "indrømmer John Cumings, en adjunkt i Institut for Materialevidenskab og Teknik, der havde tilsyn med forskningsprojektet. Han og Baloch har kaldt fænomenet "fjernbetjent Joule -opvarmning".

En uvirkelig opdagelse

For UMD -forskerne, oplevelsen af ​​opdagelsen var som hvad du eller jeg måske har følt, hvis, på en tilsyneladende almindelig morgen, vi begyndte at lave morgenmad, kun for at finde bestemte ting der sker, der ser ud til at krænke den normale virkelighed. Toasten er brændt, men brødristeren er kold. Omskifteren på komfuret er indstillet til "HI", og tekanden fløjter, men brænderen er ikke varm.

Selvfølgelig, Baloch, Cumings og deres kollega lavede ikke morgenmad i et køkken, men kører eksperimenter i et elektronmikroskopi anlæg ved A. James Clark School of Engineering ved University of Maryland. De kørte deres eksperimenter igen og igen, og resultatet var altid det samme:når de passerede en elektrisk strøm gennem et carbon nanorør, underlaget under det blev varmt nok til at smelte metal nanopartikler på overfladen, men selve nanorøret syntes at forblive køligt, og det samme gjorde metalkontakterne knyttet til den.

For os ikke-videnskabsfolk, deres oplevelse virker måske ikke så mærkelig ved første øjekast-trods alt, mad tilberedt i en mikrobølgeovn bliver varm, mens selve ovnen holder sig tæt ved stuetemperatur. Problemet er, at Baloch og Cumings ikke med vilje genererede et mikrobølgeområde. De førte kun en direkte elektrisk strøm gennem nanorøret, hvilket burde have fået den til at varme op. Dataene fortalte dem en historie, der tilsyneladende ikke gav mening-om en tilsluttet brødrister, der kunne brænde brød uden at blive varm.

Et fænomen kendt som "Joule -opvarmning" dikterer, at en elektrisk strøm vil få elektroner, der flytter, til at hoppe ud af atomerne i en metaltråd, får dem til at vibrere på plads. Disse vibrationer skaber varme, og enhver ledningstråd skal vise effekten, herunder varmeelementer i brødristere, hårtørrer, og elektriske komfur. Carbon nanorør er kendt for at lede elektricitet som metalliske ledninger i nanoskala, så Baloch og Cumings forventede at se den samme effekt, da de passerede strøm gennem et carbon nanorør.

De brugte en teknik udviklet i Cumings's laboratorium kaldet elektron termisk mikroskopi, som kortlægger, hvor der genereres varme i elektriske nanoskalaenheder, at observere virkningen af ​​strømmen på et nanorør. De forventede at se varme bevæge sig langs nanorørets længde til metalkontakter knyttet til den. I stedet, varmen syntes at hoppe direkte til siliciumnitrid -substratet nedenunder, varme det op, mens nanorøret efterlades relativt koldt.

Men hvordan er det overhovedet muligt for nanorørets elektroner at vibrere substratets atomer, hvis de adskilles med afstand, endda en måling i nanometer? Baloch og Cumings spekulerer i, at en "tredjepart" er involveret:elektriske felter.

"Vi mener, at nanorørets elektroner skaber elektriske felter på grund af strømmen, og substratets atomer reagerer direkte på disse felter, "Cumings forklarer." Overførsel af energi finder sted gennem disse mellemmænd, og ikke fordi nanorørets elektroner hopper ud af substratets atomer. Selvom der er en analogi til en mikrobølgeovn, fysikken bag de to fænomener er faktisk meget forskellig. "

Baloch tilføjer, at den eksterne Joule -varmeeffekt kan have vidtrækkende konsekvenser for computingteknologi. "Det, der i øjeblikket begrænser ydeevnen for en computers processor, er den hastighed, hvormed den kan køre, og det, der begrænser hastigheden, er det faktum, at det bliver for varmt, "forklarer han." Hvis du kunne finde en måde at slippe af med spildvarmen mere effektivt, så kunne det køre hurtigere. En transistor, der ikke spreder energi i sig selv som varme, ligesom nanorørene i vores eksperiment, kunne være en game-changer. Denne nye mekanisme til termisk transport ville give dig mulighed for at konstruere din varmeleder og elektriske leder separat, vælge de bedste egenskaber for hver uden at kræve, at de to er det samme materiale, der optager det samme rumområde. "

I øjeblikket, en mystisk luft omgiver stadig fænomenet, som kun er blevet observeret i nanoskalaen, og kun i kulstofmaterialer. De næste trin er at afgøre, om andre materialer kan producere effekten, og i så fald hvilke egenskaber de skal have. "Vi ved nu, at siliciumnitrid kan absorbere energi fra et strømførende nanorør på denne måde, men vi vil gerne teste andre materialer, såsom halvledere og andre isolatorer, "Cumings forklarer." Hvis vi virkelig kan forstå, hvordan dette fænomen fungerer, vi kunne begynde at konstruere en ny generation af nanoelektronik med integreret termisk styring. "

Denne opdagelse blev offentliggjort i online -udgaven af Naturnanoteknologi . Forskningen blev støttet af et tilskud fra U.S. Department of Energy Office of Basic Energy Sciences.