Bølgethed forklarer, hvorfor kulstofnanorørskove har lav stivhed

En ny undersøgelse har fundet ud af, at "bølger" i skove af vertikalt justerede kulstofnanorør reducerer deres stivhed dramatisk, besvare et mangeårigt spørgsmål omkring de små strukturer.

I stedet for at være til skade, bølgerne kan gøre nanorør-arrayerne mere kompatible og derfor anvendelige som termisk grænseflademateriale til at lede varme væk fra fremtidige højeffekts integrerede kredsløb.

Målinger af nanorørs stivhed, som er påvirket af en egenskab kendt som modul, havde foreslået, at skove af vertikalt justerede nanorør skulle have en meget højere stivhed, end hvad forskerne faktisk målte. Det reducerede effektive modul havde været skyld i ujævn væksttæthed, og ved knækning af nanorørene under kompression.

Imidlertid, baseret på eksperimenter, scanning elektronmikroskop (SEM) billeddannelse og matematisk modellering, den nye undersøgelse fandt, at knækkede sektioner af nanorør kan være den primære mekanisme, der reducerer modulet.

"Vi mener, at mekanismen, der gør disse nanorør mere kompatible, er en lille kinkiness i deres struktur, " sagde Suresh Sitaraman, en professor ved Woodruff School of Mechanical Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Selvom de ser ud til at være helt lige, under høj forstørrelse fandt vi bølger i kulstof-nanorørene, som vi mener er årsag til forskellen i, hvad der måles i forhold til, hvad der ville forventes."

Forskningen, som blev støttet af Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), blev offentliggjort online 31. august, 2013, i journalen Kulstof . Den kommer senere i tidsskriftets trykte udgave.

Carbon nanorør giver mange attraktive egenskaber, inklusive høj elektrisk og termisk ledningsevne, og høj styrke. Individuelle kulstof nanorør har et modul, der spænder fra 100 gigapascal til 1,5 terapascal. Arrays af vertikalt justerede kulstofnanorør med lav tæthed forventes at have et effektivt modul på mindst 5 til 150 gigapascal, Sitaraman sagde, men videnskabsmænd har typisk målt værdier, der er fire ordener eller størrelsesorden mindre - mellem en og 10 megapascal.

For at forstå, hvad der kan forårsage denne variation, Sitaraman og Ph.D. studerende Nicholas Ginga og Wei Chen studerede skove af kulstof nanorør dyrket på toppen af ​​et siliciumsubstrat, dækket derefter spidserne af strukturerne med endnu et lag silicium. De brugte derefter følsomt testapparat - en nanoindenter - til at komprimere prøver af nanorørene og måle deres stivhed. Skiftevis, de anbragte også prøver af silicium-nanorørsandwichene under trækspænding - trak dem fra hinanden i stedet for at komprimere dem.

Det, de fandt, var, at det effektive modul forblev lavt - så meget som 10, 000 gange mindre end forventet – uanset om nanorørssandwichene blev komprimeret eller trukket fra hinanden. Det tyder på vækstproblemer, eller knæk, ikke fuldt ud kunne redegøre for de observerede forskelle.

For at lede efter potentielle forklaringer, forskerne undersøgte kulstofnanorørene ved hjælp af scanningselektronmikroskoper placeret i Georgia Tech's Institute for Electronics and Nanotechnology-faciliteter. Ved en forstørrelse på 10, 000 gange, de så bølgerne i dele af nanorørene.

"Vi fandt meget små knæk i kulstofnanorørene, " sagde Sitaraman. "Selvom de så ud til at være helt lige, der var bølger i dem. Jo mere bølget vi så, jo lavere var deres stivhed."

De bemærkede også, at under komprimering, nanorørene kommer i kontakt med hinanden, påvirkning af nanorørs adfærd. Disse observationer blev modelleret matematisk for at hjælpe med at forklare, hvad der blev set på tværs af de forskellige undersøgte forhold.

"Vi tog hensyn til kontakten mellem kulstofnanorørene, " sagde Chen. "Dette gjorde det muligt for os at undersøge de ekstreme forhold, hvorunder deformationen af ​​nanorør er begrænset af tilstedeværelsen af ​​tilstødende nanorør i skoven."

Selvom tabet af modul kan virke som et problem, det kan faktisk være nyttigt i termiske styringsapplikationer, sagde Sitaraman. Overholdelsen af ​​nanorørene giver dem mulighed for at forbinde til et integreret siliciumkredsløb på den ene side, og bindes til en kobbervarmespreder på den anden side. Fleksibiliteten af ​​nanorørene gør det muligt for dem at bevæge sig, når top- og bundstrukturerne udvider sig og trækker sig sammen med forskellige hastigheder på grund af temperaturændringer.

"Det smukke ved kulstofnanorørene er, at de fungerer som fjedre mellem siliciumchippen og kobbervarmesprederen, " sagde Sitaraman. "De kan lede meget varme på grund af gode termiske egenskaber, og på samme tid, de er smidige og medgørlige."

Carbon nanorør har en ekstraordinær høj varmeledningsevne, så meget som ti gange kobbers, hvilket gør dem ideelle til at trække varme væk fra spånerne.

"Efterspørgslen efter varmefjernelse fra spåner fortsætter med at stige, " sagde Ginga. "Industrien har ledt efter nye materialer og nye teknikker til at tilføje til deres værktøjskasse til varmeoverførsel. Forskellige tilgange vil være nødvendige for forskellige enheder, og dette giver industrien en ny måde at tackle udfordringen på."