Forøgelse af varmeoverførsel med nanoglue

(Phys.org) - Et team af tværfaglige forskere ved Rensselaer Polytechnic Institute har udviklet en ny metode til markant at øge varmeoverførselshastigheden på tværs af to forskellige materialer. Resultater af teamets undersøgelse, offentliggjort i tidsskriftet Naturmaterialer , kunne muliggøre nye fremskridt inden for køling af computerchips og lysemitterende diode (LED) -enheder, indsamling af solenergi, høst spildvarme, og andre applikationer.

Ved at lægge et lag ultratyndt "nanoglue" mellem kobber og silica, forskergruppen demonstrerede en firdobling i termisk konduktans ved grænsefladen mellem de to materialer. Mindre end et nanometer - eller en milliarddel af en meter - tykt, nanogluen er et lag af molekyler, der danner stærke forbindelser med kobber (et metal) og silica (en keramik), som ellers ikke ville hænge godt sammen. Denne form for nanomolekylær låsning forbedrer vedhæftning, og hjælper også med at synkronisere vibrationer af atomer, der udgør de to materialer, som, på tur, letter mere effektiv transport af varmepartikler kaldet fononer. Ud over kobber og silica, forskergruppen har demonstreret, at deres tilgang fungerer med andre metalkeramiske grænseflader.

Varmeoverførsel er et kritisk aspekt af mange forskellige teknologier. Efterhånden som computerchips bliver mindre og mere komplekse, producenter er konstant på udkig efter nye og bedre midler til fjernelse af overskydende varme fra halvlederenheder for at øge pålideligheden og ydeevnen. Med solcelleanlæg, for eksempel, bedre varmeoverførsel fører til mere effektiv omdannelse af sollys til elektrisk strøm. LED -producenter leder også efter måder at øge effektiviteten ved at reducere procentdelen af ​​inputeffekt tabt som varme. Ganapati Ramanath, professor i Institut for Materialevidenskab og Teknik ved Rensselaer, hvem der ledede den nye undersøgelse, sagde evnen til at forbedre og optimere grænseflade termisk konduktans bør føre til nye innovationer i disse og andre applikationer.

"Grænseflader mellem forskellige materialer er ofte varmestrømningsflaskehalse på grund af kvalt fonontransport. Indsættelse af et tredje materiale gør normalt kun tingene værre på grund af en ekstra grænseflade, der er oprettet, "Sagde Ramanath." Men vores metode til at indføre et ultratyndt nanolag af organiske molekyler, der stærkt binder sig til begge materialer ved grænsefladen, giver anledning til flerfoldige stigninger i grænseflade termisk konduktans, i modsætning til dårlig varmeledning set ved uorganiske-organiske grænseflader. Denne metode til at indstille termisk konduktans ved at kontrollere vedhæftning ved hjælp af et organisk nanolag fungerer til flere materialesystemer, og tilbyder et nyt middel til manipulation af atomære og molekylære niveauer af flere egenskaber ved forskellige typer af materialegrænseflader. Også, det er fedt at kunne gøre dette temmelig diskret ved den enkle metode til selvsamling af et enkelt lag af molekyler. "

Resultater af den nye undersøgelse, med titlen "Binding-induceret termisk konduktansforbedring ved uorganiske heterointerfaces ved hjælp af nanomolekylære monolag, "blev for nylig offentliggjort online af Naturmaterialer , og vil blive vist i en kommende printudgave af tidsskriftet.

Forskergruppen brugte en kombination af eksperimenter og teori til at validere deres fund.

"Vores undersøgelse fastslår sammenhængen mellem grænsefladestyrke og termisk konduktans, som tjener til at understøtte nye teoretiske beskrivelser og åbne op for nye måder at styre grænsefladevarmeoverførsel på, "sagde medforfatter Pawel Keblinski, professor i Institut for Materialevidenskab og Teknik ved Rensselaer.

"Det er virkelig bemærkelsesværdigt, at et enkelt molekylært lag kan medføre en så stor forbedring af de termiske egenskaber ved grænseflader ved at danne stærke grænsefladebindinger. Dette ville være nyttigt til styring af varmetransport til mange applikationer inden for elektronik, belysning, og energiproduktion, "sagde medforfatter Masashi Yamaguchi, associate professor in the Department of Physics, Anvendt fysik, and Astronomy at Rensselaer.

"The overarching goal of Professor Ramanath's NSF-sponsored research is to elucidate, using first-principles-based models, the effects of molecular chemistry, chemical environment, interface topography, and thermo-mechanical cycling on the thermal conductance of metal-ceramic interfaces modified with molecular nanolayers, " said Clark V. Cooper, senior advisor for science at the NSF Directorate for Mathematical and Physical Sciences, who formerly held the post of program director for Materials and Surface Engineering. "Consistent with NSF's mission, the focus of his research is to advance fundamental science, but the potential societal benefits of the research are enormous."

"This is a fascinating example of the interplay between the physical, kemisk, and mechanical properties working in unison at the nanoscale to determine the heat transport characteristics at dissimilar metal-ceramic interfaces, " said Anupama B. Kaul, a program director for the Division of Electrical, Communications, and Cyber Systems at the NSF Directorate for Engineering. "The fact that the organic nanomolecular layer is just a monolayer in thickness and yet has such an important influence on the thermal characteristics is truly remarkable. Dr. Ramanath's results should be particularly valuable in nanoelectronics where heat management due to shrinking device dimensions continues to be an area of active research."