Forskere bruger molekylære lag til at studere varmeoverførsel i nanoskala

Videnskabelig forskning har givet os en grundlæggende forståelse af, hvordan lys (via fotoner) og elektricitet (via elektroner) bevæger sig inden for og mellem materialer på mikrometer- eller nanometerniveau, muliggør en bred vifte af miniatureenheder såsom transistorer, optiske sensorer og mikroelektromekaniske systemer (MEMS). Imidlertid, menneskets viden om mikro- og nanoskala varmestrøm er i bedste fald rudimentær.

Nu, et forskerhold ved University of Illinois i Urbana-Champaign (UIUC) har udviklet et nyt system til undersøgelse og måling af termisk ledningsevne i nanoskala ved grænsefladen mellem to materialer. Med yderligere forfining, forskerne mener, at deres fremskridt en dag kan give data til applikationer som at høste elektricitet fra spildvarme, bedre afkøling af mikroelektroniske enheder og "varmesøgende" målretning af sygdomsceller ved hjælp af hypertermiske (over normal kropstemperatur) terapier.

Holdets resultater vil blive præsenteret af Mark Losego, tidligere post-doc stipendiat ved UIUC og nu forskningsassistent professor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab ved North Carolina State University, under AVS 59. internationale symposium og udstilling, afholdt 28. okt.-nov. 2, 2012, i Tampa, Fla.

På nanoskala, termiske egenskaber er resultatet af vibrationer mellem naboatomer. Bindinger mellem atomer bærer disse vibrationer svarende til en oscillerende fjeder. UIUC-teamet udviklede en teknik til at studere virkningerne af disse bindinger på varmetransport over en grænseflade mellem to forskellige materialer. "Vi ville have et system, hvor vi kunne observere, analysere og kvantificere termisk strømning på tværs af en grænseflade med præcision på atomniveau, " siger Losego.

Systemet starter med en substratbase af kvartskrystal, hvorpå forskerne placerer molekylære kæder, der er 12 kulstofatomer lange. I bunden af ​​hver kæde er en kemisk "hætte", der kovalent binder til kvarts. Tiltrækningen af ​​disse hætter til substratet justerer spontant alle kulstofkæderne i en ordnet række af molekyler kendt som et selvsamlet monolag (SAM). I den modsatte ende af hver kulstofkæde er der en anden slags hætte, enten en thiol (svovl og hydrogen) gruppe, der binder stærkt til metaller eller en methylgruppe (carbon og hydrogen), der binder svagt.

"Vi bruger derefter et viskoelastisk silikonestempel til at 'overføre print' guldlag på SAM-overfladen, " Losego forklarer. "Denne proces svarer til at overføre et mærkat til en T-shirt, hvor guldfilmen er 'decal'et, der er fastgjort til silikonestempelets 'bagside'. Når vi langsomt skræller silikonen væk, vi efterlader guldlaget oven på SAM."

Det er i grænsefladen mellem guldfilmen og SAM, Losego siger, hvor nanoskala varmeflow er karakteriseret. "Ved at ændre de kemiske grupper, der er i kontakt med guldlaget, kan vi se, hvordan forskellige bindinger påvirker varmeoverførslen, " tilføjer han.

Kombineret med en ultrahurtig laserteknik, der er i stand til at overvåge temperaturfald (eller varmetab) med picosekunders (trilliontedel af et sekund) opløsning, UIUC-forskerne er i stand til at bruge deres eksperimentelle system til at evaluere varmestrømmen på atomær skala. "Vi opvarmer guldlaget fastgjort til monolaget og kan overvåge temperaturfald med tiden, " Losego forklarer. "Samtidigt vi observerer svingninger i guldfilmen, der angiver styrken af ​​bindingerne ved guld-SAM krydset. Ved hjælp af disse målinger er vi i stand til uafhængigt at verificere, at stærke bindinger [hurtigt henfaldende svingninger] har hurtig varmeoverførsel, mens svage bindinger [langsomt henfaldende svingninger] har langsommere varmeoverførsel."

Forskerne planlægger at forfine deres termiske målesystem i nanoskala og udvikle teoretiske beregninger for bedre at fortolke de data, det producerer.