Rynker giver varmen et stød i søjlegrafen

Søjleformet grafen ville overføre varme bedre, hvis det teoretiske materiale havde et par asymmetriske kryds, der forårsagede rynker, ifølge Rice University ingeniører.

Rismaterialeforsker Rouzbeh Shahsavari og alumnus Navid Sakhavand byggede først computermodeller på atomniveau af søjlegrafen - plader af grafen forbundet med kovalent bundne kulstofnanorør - for at opdage deres styrke og elektriske egenskaber såvel som deres varmeledningsevne.

I en ny undersøgelse, de fandt ud af, at manipulation af leddene mellem nanorørene og grafen har en betydelig indflydelse på materialets evne til at lede varme. Det kan være vigtigt, da elektroniske enheder krymper og kræver mere sofistikerede køleplader.

Forskningen vises i tidsskriftet American Chemical Society ACS anvendte materialer og grænseflader .

Forskere, der studerer eller arbejder på at lave søjlegrafen, har primært set to karakteristika ved det teoretiske materiale:længden af ​​søjlerne og deres afstand fra hinanden. Den nye undersøgelse tyder på, at en tredje parameter - arten af ​​krydset mellem grafen og nanorør - også bør overvejes.

En sømløs forbindelse mellem flad grafen, den atomtykke form af kulstof, og runde nanorør kræver justeringer af deres karakteristiske seks-leddede kulstofringe. Den enkleste måde er at give halvdelen af ​​ringene ved krydset et ekstra atom. Seks syvledsringe skiftevis med seks seksledsringe tillader arket at lave en 90 graders drejning for at blive til røret.

Men det er ikke den optimale konfiguration til varmetransport, ifølge Rice-teamet. Den fandt ud af, at udskiftning af seks syvkanter med tre ottekanter ville lette svinget, mens grafenen blev en smule stresset. Det ville rynke grafenpladernes top og bund, mens det ikke ændrede transporten væsentligt ved krydsene.

Forskerne forventede intuitivt, at rynkerne ville sænke termisk transport og blev overraskede over at opdage, at termisk transport over "i-planet" grafen blev hurtigere med rynker. De fastslog, at det at have færre ringe i krydsene mellem nanorør og grafen betød mindre spredning af varmebærende fononer, hvilket holdt dem ombord på den ujævne tur.

Målt langs det længste plan, modeller med ottekanter var næsten 20 procent bedre til at transportere fononer end dem uden. "Vores resultater viser, at subtile egenskaber såsom denne krydskonfiguration har en betydelig indvirkning på termisk transport, " sagde Shahsavari, en adjunkt i civil- og miljøteknik og i materialevidenskab og nanoteknik. "I betragtning af de nuværende behov inden for termisk styring og enhedsminiaturisering i mange nano- og mikroelektronik, denne undersøgelse giver en ny grad af frihed til at lege og forbedre termisk transport."

Forskerne troede, at fonontransport gennem nanorørene, som de allerede vidste var langsommere end i grafen, kan være langsommere under påvirkning af ottekanterne, men den ændrede grænseflade så ikke ud til at have nogen signifikant effekt.

"Årsagen ligger i geometrien, " sagde Shahsavari. "Jo lavere antallet af ikke-sekskantede ringe i krydset (for eksempel tre ottekanter versus seks sekskanter), jo lavere er antallet af uønskede ringe og dermed lavere fononspredning og forbedret termisk transport." Fordi krydsene kan vedtage mange forskellige geometrier afhængigt af radius og chiralitet af nanorøret, der er mange flere potentielle konfigurationer, der skal modelleres, han sagde.