Ingeniører viser, hvordan man optimerer kulstof nanorør-arrays til brug i hot spots

Når ingeniører designer enheder, de skal ofte forbinde to materialer, der udvider sig og trækker sig sammen med forskellige hastigheder, efterhånden som temperaturen ændrer sig. Sådanne termiske forskelle kan give problemer, hvis for eksempel, en halvlederchip er sat i en stikkontakt, der ikke kan udvide sig og trække sig sammen hurtigt nok til at opretholde en ubrudt kontakt over tid.

Potentialet for fejl på sådanne kritiske tidspunkter er blevet intensiveret, efterhånden som enheder er skrumpet til nanoskalaen, bringer subtile kræfter i spil, der trækker i atomer og molekyler, forårsager belastninger, der er svære at observere, langt mindre undgå.

Skrivning i Proceedings of the National Academy ( PNAS ), Stanfords ingeniører rapporterer om, hvordan man skaber kulstof-nanorørstrukturer, der forbliver stærke og smidige ved disse kritiske grænseflader, hvor termisk stress er iboende for designet.

"Tænk på kølepladen til en mikroprocessor, " sagde senior PNAS forfatter Kenneth Goodson, Professor og Bosch Chair of Mechanical Engineering ved Stanford. "Det er udsat for høje varmestrømme i lange perioder, og gentagne tilfælde af opvarmning og afkøling."

På nuværende tidspunkt er materialer som loddemidler og geler blevet brugt ved sådanne forbindelser. Men efterhånden som elektronik fortsætter med at skrumpe, mere elektrisk strøm bliver skubbet gennem mindre kredsløb, sætter materialer under stadigt stigende termisk belastning.

"Loddet har høj varmeledningsevne, men den er hård, " sagde Goodson, forklarer, hvorfor hans laboratorium fortsætter med at eksperimentere med enkeltvæggede kulstofnanorør. Lige før dette PNAS bidrag, hans team beskrev de gunstige termiske egenskaber af nanorør i en artikel for Anmeldelser af moderne fysik (Bind 85, s. 1296-1327).

Nanorør er uendeligt tynde tråde af kulstofatomer, der har potentialet til at være effektive til at lede varme. De er også stærke for deres størrelse, og kan være fleksible alt efter hvordan de er fremstillet.

Stanford PNAS papiret var baseret på eksperimenter og simuleringer designet til at afsløre, hvordan man skaber kulstofnanorørstrukturer (CNT'er) med den optimale blanding af alle tre egenskaber - styrke, fleksibilitet, og varmeledningsevne - som er påkrævet i kritiske tidspunkter, hvor termisk stress er et faktum.

Stanford papiret repræsenterer omkring fem års teamwork centreret i Stanford Mechanical Engineering Department, herunder eksperimenter ledet af første forfatter Yoonjin Won, som dengang var doktorand i maskinteknik.

Hun brugte en række eksisterende teknikker til at samle CNT'er med forskellige strukturelle egenskaber, og målte derefter fleksibiliteten (også kaldet modul) og termisk ledningsevne af hver struktur for at se efter den optimale struktur.

Overladt til naturen, kulstofatomerne, der danner CNT'er, vil skabe strukturer, der – hvis vi kunne se dem – ligner en skål spaghetti.

Men Won arbejdede sammen med samarbejdspartnere på University of Tokyo for at skabe CNT'er, der voksede op relativt lige, som græsser. En vis grad af sammenfiltring fandt stadig sted. Præcis kontrol af CNT-vækst forbliver uden for videnskabens rækkevidde.

Alligevel, Wons eksperimenter viste, at længere CNT'er, vokset mindre tæt sammen, syntes at have den bedste kombination af fleksibilitet, varmeledningsevne og styrke, til brug i elektronik og andre industrielle applikationer, hvor der forventes termisk stress.

Til en vis grad repræsenterer hendes resultater en afvejning. Tættere, kortere CNT-strukturer er stærkere og mere effektive til at sprede varme. Men de er også mere sammenfiltrede og stivere. Wons eksperimentelle resultater viste, at da CNT-strenge blev længere, de havde en tendens til at blive mere lige og var mindre sammenfiltrede, hvilket øgede strukturens fleksibilitet, dog med nogle acceptable tab i de to andre parametre.

Fordi det ultimative mål med dette arbejde er at afsløre, hvordan man optimerer CNT-strukturer til brug som termiske overførselsmaterialer, Stanford-teamet byggede en computersimulering af CNT-samlingsprocessen med et øje for at forstå, hvordan CNT'erne blev bøjet og viklet ind på trods af bestræbelser på at få dem til at vokse.

Arbejdet med simuleringen blev ledet af Wei Cai, en lektor i maskinteknik ved Stanford, der har en høflighedsansættelse i materialevidenskab og teknik. Stanford-forskerne ønskede at forstå den måde, hvorpå van der Waals-kræfter påvirker væksten af ​​CNT'er.

Disse kræfter er opkaldt efter den hollandske fysiker, der først beskrev de svage tiltrækninger, der eksisterer mellem molekyler - attraktioner, der ikke kunne forklares med andre kendte kræfter, såsom de kemiske bindinger, der opstår, når atomer deler elektroner.

Cai sagde, at mens van der Waals kræfter måske ikke er kritiske i andre typer strukturer, kulstof nanorør er så tynde - et atom eller så tykke i diameter - at disse små kræfter fundamentalt kan påvirke dem.

Det var faktisk, hvad simuleringen viste. Forestil dig en CNT, der forsøger at vokse lige, kun for at blive bøjet til den ene side af van der Waal-attraktionen på en anden CNT-krydsning nær dens top, og måske bøjet til den anden side af en anden CNT, der nærmer sig bunden.

Taget sammen, de eksperimentelle resultater og computersimulering forstærker resultaterne, at længere, mindre sammenfiltrede CNT'er ville tilbyde den bedste blanding af den ønskede karakteristiske styrke, fleksibilitet og varmeoverførsel. Men på grund af van der Waals-kræfterne, der opererer på disse atomtykke kulstofrør, ingeniører bliver nødt til at acceptere nogle bøjninger og uregelmæssigheder, da de stræber efter at skabe brugbare, selvom mindre end ideelt, strukturer til afledning af varme.

"Når man hører om nanoteknologi, handler det normalt om superlativerne, det stærkeste dette, den tyndeste, " sagde Goodson. "Men vi tror, ​​at svarene vil ligge i at finde de rigtige kombinationer af egenskaber, noget, der er stærkt og leder varme som et metal, men kan også bøje og bøje."