Forskere opdager årsagen til vidt forskellige varmeledningsevner i superatomiske strukturelle analoger

Forskere fandt ud af, at den termiske ledningsevne af superatomkrystaller er direkte relateret til rotationsforstyrrelsen i disse strukturer. Resultaterne blev offentliggjort i en artikel i Naturmaterialer denne uge.

Carnegie Mellon Universitets lektor i maskinteknik Jonathan A. Malen var en tilsvarende forfatter til papiret med titlen "Orienterende orden styrer krystallinsk og amorf termisk transport i superatomiske krystaller."

Superatomkrystaller er periodiske - eller regelmæssige - arrangementer af C ₆₀ fullerener og lignende størrelser uorganiske molekylære klynger. Nanometeret størrelse C ₆₀ s ligner fodbold med C -atomer i hjørnerne af hver sekskant og femkant.

"Der er to næsten identiske formationer, en der har roterende (dvs. orienteringsforstyrret) C ₆₀ s og en, der har rettet C ₆₀ s, "sagde Malen." Vi opdagede, at den formation, der indeholdt roterende C60'er, har lav varmeledningsevne, mens formationen med fast C ₆₀ s har høj varmeledningsevne. "

Selvom rotationsforstyrrelse er kendt i bulk C ₆₀ , dette er første gang, at processen er blevet udnyttet til at skabe meget forskellige varmeledningsevner i strukturelt identiske materialer.

Forestil dig en række mennesker, der passerer sandsække fra den ene ende til den anden. Forestil dig nu en anden linje, hvor hver person snurrer rundt - nogle med uret, nogle mod uret, nogle hurtige, og nogle langsomme. Det ville være meget svært at flytte en sandsæk ned ad den linje.

"Dette ligner det, der sker med varmeledningsevne i superatomer, "forklarede Malen." Det er lettere at overføre varmeenergi langs et fast mønster end et uordentligt. "

Columbia Universitys adjunkt i kemi Xavier Roy, den anden tilsvarende forfatter til undersøgelsen, skabte superatomkrystallerne i sit laboratorium ved at syntetisere og samle byggestenene i de hierarkiske overbygninger.

"Superatom -krystaller repræsenterer en ny klasse af materialer med potentiale for anvendelser inden for bæredygtig energiproduktion, energilagring, og nanoelektronik, "sagde Roy." Fordi vi har et stort bibliotek med superatomer, der kan samles selv, disse materialer tilbyder en modulær tilgang til at skabe komplekse, men alligevel afstembare atomisk præcise strukturer. "

Forskerne mener, at disse fund vil føre til yderligere undersøgelse af de unikke elektroniske og magnetiske egenskaber ved overbyggede materialer. En fremtidig applikation kan omfatte et nyt materiale, der kan ændre sig fra at være en termisk leder til en termisk isolator, åbner potentialet for nye former for termiske afbrydere og transistorer.

"Hvis vi aktivt kunne kontrollere rotationsforstyrrelser, vi ville skabe et nyt paradigme for termisk transport, sagde Malen.

For mere information, læs artiklen:"Orienteringsorden styrer krystallinsk og amorf termisk transport i superatomiske krystaller, " Naturmaterialer (2016).

Yderligere Carnegie Mellon-efterforskere omfattede postdoktoralforsker og alumnus Wee-Liat Ong, Patrick S. M. Dougherty, Alan J. H. McGaughey, og C. Fred Higgs. Ong rådgives i fællesskab af Malen og Roy som en del af et National Science Foundation MRSEC -tilskud ledet af Columbia University. Andre forskere ved Columbia University omfattede E. O'Brien og D. Paley.