Undersøgelse viser potentialet for kulnanorør til at afkøle elektroniske kredsløb

Brugen af ​​solid-state køleskabe til afkøling af apparater og elektroniske enheder er en mulig teknologisk anvendelse til en teoretisk undersøgelse udført ved University of Campinas (UNICAMP) i São Paulo State, Brasilien.

Selvom denne ansøgning ikke tages i betragtning i undersøgelsen, som var baseret på computersimuleringer, sådanne applikationer er i horisonten og kan være et effektivt og miljøvenligt alternativ til dampkomprimeringskøleskabe, som i øjeblikket dominerer markedet og bidrager til ozonnedbrydning og global opvarmning.

Studiet, ledet af Alexandre Fonseca med deltagelse af hans tidligere elev Tiago Cantuário, var en del af projektet "Carbon nanostructures:modellering og simuleringer, "støttet af São Paulo Research Foundation - FAPESP. Resultaterne er offentliggjort i en artikel i tidsskriftet Annalen der Physik .

"Køling i fast tilstand er et ungt forskningsfelt med lovende resultater. Den metode, vi undersøgte, er baseret på den såkaldte elastocaloric effekt (ECE), som gør brug af temperaturvariationer i et system som reaktion på mekanisk belastning. Vi udførte computersimuleringer af denne effekt i carbon nanorør, "Sagde Fonseca.

I den makroskopiske verden, en analog effekt observeres, når et gummibånd opvarmes, da det hurtigt strækkes og afkøles igen, når det frigives. Effekten opstår, hvis deformationen påføres materialet, så der ikke sker nogen varmeoverførsel til eller ud af systemet, dvs. når processen er adiabatisk.

"Vi begyndte vores forskning på grundlag af en artikel med titlen 'Elastocaloric effect in carbon nanorubes and graphene', udgivet i 2016 af Sergey Lisenkov og samarbejdspartnere. Den beskrev en computersimuleringsundersøgelse, der viste, at når der blev påført en lille deformation på carbon nanorør, svarende til op til 3% af deres oprindelige længde de reagerede med en temperaturvariation på op til 30 ° C, "Sagde Fonseca.

"I modsætning til Lisenkovs forskning, som kun simulerede simpel belastning og trykstyrke påført nanorørene, vi gengav processen beregningsmæssigt for en komplet termodynamisk cyklus. I vores simulering, vi overvejede to faser - nanorørstamme og frigivelse - og to varmevekslere med to eksterne reservoirer. Vi estimerede den varme, der ville blive ekstraheret af nanorøret, hvis den var i ideel kontakt med et bestemt medium. Vi opnåede et godt resultat for ydeevne -koefficienten sammenlignet med andre eksperimentelt testede materialer. "

Ydeevne -koefficienten er defineret som den varme, der udvindes af et system fra et givet område divideret med den energi, der bruges til at gøre det. I tilfælde af et husholdnings -køleskab, for eksempel, den viser mængden af ​​varme, som apparatet udvinder fra det indre miljø i forhold til den forbrugte elektricitet. De bedste husholdningskøleskabe har ydelseskoefficienter i størrelsesordenen 8, hvilket betyder, at de overfører otte gange mere termisk energi indefra til udvendigt end mængden af ​​elektricitet, der udvindes fra forsyningsnettet for at udføre udvekslingen.

"Simulerer processen for to forskellige nanorør, vi opnåede præstationskoefficienter på 4,1 og 6,5. Disse er relativt gode tal sammenlignet med dem for andre varmevekslingsfænomener, "Forklarede Fonseca.

En anden fordel vedrører atom- og molekylstruktur. "For visse materialer, anvendelsen af ​​trækstyrke får prøven til at ændre fase ved at ændre dens krystalstruktur. I tilfælde af nanorør, den termiske effekt skyldes udelukkende ekspansion og afslapning af strukturen, som ikke er ændret. Dette er en fordel, fordi faseændringer får materialet til gradvist at miste sin evne til at påvirke funktionen af ​​interesse. I tilfælde af nanorør, imidlertid, processen producerer ingen strukturelle transformationer, der er i stand til at forårsage defekter. Atomer adskilles under ekspansion og vender tilbage til deres oprindelige positioner med afslapning, " han sagde.

Nanoskala

Ifølge Fonseca, brudstest har vist, at kulnanorør kan strække op til 20%. Denne deformationsmodstand kombineret med høj ydeevne i elastokaloriske effekter gør carbon nanorør interessante materialer til udvikling af nanoskalaelektronik.

"Kerneproblemet inden for elektronik er køling. Vores motivation var at forestille os en enhed, der kunne bruge en simpel cyklus til at udvinde varme fra et apparat. Kulstofnanorør viste sig meget lovende, "sagde han." De har også en anden dyd, hvilket er, at de er små nok til at blive indlejret i en polymermatrix, en ønskværdig ejendom på et tidspunkt, hvor producenter investerer i forskning og udvikling for at skaffe fleksible elektroniske enheder såsom foldbare smartphones. "Alt dette er en del af et større billede, hvor dampkomprimeringskøleskabe erstattes af køleskabe i forbindelse med globale klimaændringer.