Konstrueret sand kan hjælpe med at afkøle elektroniske enheder

Baratunde Cola vil gerne putte sand ind i din computer. Ikke strandsand, men siliciumdioxid nanopartikler belagt med en polymer med høj dielektrisk konstant for billigt at give forbedret køling til stadig mere strømkrævende elektroniske enheder.

Siliciumdioxiden klarer ikke afkølingen selv. I stedet, de unikke overfladeegenskaber af det coatede nanoskala materiale leder varmen med potentielt højere effektivitet end eksisterende kølepladematerialer. Den teoretiske fysik bag fænomenet er kompliceret, involverer nanoskala elektromagnetiske effekter skabt på overfladen af ​​de små siliciumdioxidpartikler, der virker sammen.

Bundlinjen kunne være en potentielt ny klasse af materialer med høj varmeledningsevne, der er nyttige til varmeafledning fra kraftelektronik, LED'er og andre applikationer med høje varmefluxer.

"Vi har for første gang vist, at man kan tage en pakket nanopartikelseng, der typisk vil fungere som en isolator, og ved at få lys til at koble sig stærkt ind i materialet ved at konstruere et medium med høj dielektrisk konstant som vand eller ethylenglycol på overfladerne, du kan forvandle nanopartikellejet til en leder, sagde Cola, en lektor ved Woodruff School of Mechanical Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Ved at bruge nanopartiklernes kollektive elektromagnetiske effekt på overfladen, den termiske ledningsevne kan stige 20 gange, så den kan lede varmen."

Forskningen, som involverede både teori og eksperimenter, er rapporteret i juli-udgaven af ​​tidsskriftet Materialer Horisonter , og blev fremhævet i 8. juli -udgaven af ​​tidsskriftet Science. Arbejdet blev støttet af Air Force Research Laboratory og US Air Force. Medforfattere omfatter professor James Hammonds ved Howard University, og kandidatstuderende Eric Tervo fra Georgia Tech og Olalekan Adewuyi fra Howard University.

I de sidste mange år, teoretiske artikler har forudsagt overfladefononpolitoners evne til at øge varmeledning i nanomaterialer fremstillet af polære materialer som siliciumdioxid. Polaritoner er kvante kvasipartikler, der er produceret ved stærk kobling af elektromagnetiske bølger med en elektrisk eller magnetisk dipol-bærende excitation. I det specifikke tilfælde af overfladefononpolaritoner, de elektromagnetiske bølger er koblet til en bestemt frekvens og polarisering af vibrerende atomer i materialet kendt som optiske fononer. Når materialer reduceres til størrelser under 100 nanometer, materialets overfladeegenskaber dominerer over bulkegenskaber, tillader varmefononer at strømme fra partikel til partikel i det tætpakkede leje ved hjælp af de koblede elektromagnetiske bølger.

Selvom forskere ikke tidligere kunne måle varmeflow fra overfladefononpolaritoner på grund af eksperimentelle vanskeligheder, de har observeret deres bølgeudbredelse, når lys rammer overfladen af ​​et nanostrukturmateriale, tyder på en potentiel rolle i varmeafledning. Ud over den første måling af varmeflow, Cola og hans samarbejdspartnere fandt også ud af, at effekten kan opstå, når termisk energi tilføjes til et pakket nanopartikler.

"Det, vi også viser for første gang, er, at når man har nanopartikler af den rigtige type i en pakket seng, at du ikke behøver at skinne lys på dem, " forklarede han. "Du kan bare varme nanopartiklerne op, og den termiske selvemission aktiverer effekten. Du skaber et elektrisk felt omkring nanopartiklerne fra denne termiske stråling."

Forskerne besluttede at eksperimentere med de særlige egenskaber, først bruge vand til at belægge nanopartiklerne og forvandle siliciumdioxid-nanopartikellejet til en leder. Men vandbelægningen var ikke robust, så forskerne skiftede til ethylenglycol, en væske, der almindeligvis anvendes i frostvæske til køretøjer. Den nye kombination øgede varmeoverførslen med en faktor på 20 til cirka en watt pr. meter-kelvin, som er højere end værdien, ethylenglycol eller siliciumdioxid nanopartikler kan producere alene, og konkurrencedygtig med dyre polymerkompositter, der anvendes til varmeafledning.

"Du kunne grundlæggende tage en elektronisk enhed, pak disse ethylenglycol-coatede nanopartikler i luftrummet, og det ville være nyttigt som et varmeafledningsmateriale, der på samme tid, vil ikke lede elektricitet, " sagde Cola. "Materialet har potentialet til at være meget billigt og nemt at arbejde med."

Siliciumdioxid blev valgt, fordi dets krystallinske gitter kan generere resonante optiske fononer - nødvendige for effekten - ved omtrent stuetemperatur. Andre materialer kan også bruges, men siliciumdioxid-nanopartiklerne giver et godt kompromis af egenskaber og omkostninger.

"Resonansfrekvensen, omdannet til den termiske strålingstemperatur for siliciumdioxid, er omkring 50 grader celsius, " sagde Cola. "Med dette materiale, vi kan aktivere denne effekt ved et temperaturområde, som en mikroelektronisk enhed sandsynligvis vil se."

Selvom ethylenglycol fungerer godt, det vil til sidst fordampe. Af den grund, Cola planlægger at identificere polymere materialer, der kan adsorberes til siliciumdioxid -nanopartiklerne for at give en mere stabil belægning med en rimelig produktlevetid.

Effekten afhænger af siliciumdioxidnanopartiklernes kollektive virkning.

"Vi viser dybest set en makroskopisk oversættelse af en nanoskalaeffekt, "Sagde Cola." Selvom nanopartikelsengen er en massesamling, det er en bulk-enhed, der har en masse indre overfladeareal. Det indre overfladeareal er den gateway, hvormed det interagerer med det elektromagnetiske felt - lyset og varmen. "

Indtil nu, effekten er påvist i små mængder siliciumdioxid nanopartikler. Et andet skridt ville være at opskalere undersøgelsen for at demonstrere, at varme kan overføres længere afstande i større mængder af materialet, sagde Cola.

"Hastigheden, hvormed den termiske energi går fra den ene side af partiklen til den anden side af partiklen, er konstant i hele nanopartikellejet, så det burde være lige meget, hvor tykt nanopartikellejet er, " forklarede han. "Når disse partikler er tæt nok sammen, deres tilstande er koblet, som tillader energien at transportere."

Yderligere test ville være nødvendige for at sikre den langsigtede effektivitet og for at bekræfte, at der ikke er nogen indvirkning på pålideligheden af ​​de elektroniske enheder, der køles med teknikken, sagde Cola.