211service.com
Et nanorørmateriale leder varme i bare én retning
fotografi av nanorør som lages Wikimedia commons
Varme er noe av en plage for elektroingeniører. Det reduserer påliteligheten til elektroniske enheter og får dem til å svikte fullstendig. Det er derfor datamaskinkomponenter er rikelig smurt med termisk pasta og koblet til varmerør, vifter og til og med vannkjølesystemer.
Målet er å kanalisere varmen bort fra sensitive komponenter slik at den kan spre seg ut i miljøet. Men etter hvert som enhetene blir mindre, blir utfordringen mer akutt – og moderne transistorer, for eksempel, måles i nanometer.
De mest kostnadseffektive lederne er metaller som kobber, men varme går like godt gjennom dem i alle retninger. Det betyr at varme kan spre seg til enhver annen komponent som også er i termisk kontakt med metallet.
En mer effektiv leder vil kanalisere varme i én retning, men ikke i den vinkelrette. I dette tilfellet vil varme bevege seg langs et slikt materiale, men ikke over det.
Denne typen asymmetriske ledere ville gjøre livet til termiske ingeniører betydelig enklere. Men å lage dem er vanskelig.
Gå inn i Shingi Yamaguchi ved University of Tokyo i Japan og en gruppe kolleger, som har laget et materiale av nøye justerte karbon-nanorør som leder varme på akkurat denne måten. Det nye stoffet har potensial til å revolusjonere måten termiske ingeniører designer og bygger kjølesystemer for datamaskiner og andre enheter på.
Først litt bakgrunn. Materialforskere er godt klar over at karbon nanorør er eksepsjonelle ledere. Disse bittesmå rørene har en termisk ledningsevne på over 1000 W m-1 K-1. Til sammenligning har kobber en termisk konduktans på ca. 400 W m-1 K-1.
Problemet oppstår når materialforskere prøver å lage et bulkmateriale av nanorør. De gjør dette ved å la rørene legge seg på et plastsubstrat, og danner et lag. Men nanorørene har en tendens til å være dårlig justert eller tilfeldig arrangert.
Som et resultat er de i dårlig termisk kontakt med hverandre, og dette reduserer konduktiviteten til bulkmaterialet. Det er viktig å eliminere disse strukturelle manglene for å utnytte den høye termiske konduktansen til individuelle karbon-nanorør i justerte karbon-nanorørsammenstillinger, sier Yamaguchi og co.
Løsningen deres er enkel: de lager et materiale der karbon-nanorørene er nøyaktig på linje og er derfor i god ende-til-ende termisk kontakt.
Dette er mulig takket være en teknikk kjent som kontrollert vakuumfiltrering. Tilbake i 2012 oppdaget fysikere at flytende karbonnanorør under visse omstendigheter kan danne en selvorganisert struktur der de alle blir på linje som i en krystall.
Nanorørene blandes først sammen i en væske som inneholder et overflateaktivt middel som reduserer overflatespenningen. Forutsatt at konsentrasjonen av nanorør er under et kritisk nivå, begynner de å selvorganisere seg på overflaten av væsken og blir tett på linje.
Væsken fjernes deretter ved å forsiktig og sakte suge den gjennom et filter ved hjelp av et vakuum, og etterlate nanorørene. Resultatet er et tynt ark av høyt justerte nanorør med noen ekstraordinære egenskaper.
Yamaguchi og co sier at det nye materialet leder varme i retning av nanorørjustering med en termisk konduktans på 43 W m-1 K-1. Derimot er konduktansen i vinkelrett retning tre størrelsesordener mindre ved 0,085 W m-1 K-1, omtrent det samme som glassfiber.
Materialet er med andre ord 500 ganger bedre til å lede i én retning enn i den andre – den største asymmetrien som noen gang er observert for denne typen materialer.
Grunnen er enkel. Når nanorørene er i termisk kontakt fra ende til annen, går varmen lett fra den ene til den andre. Men rørene er ikke i god termisk kontakt langs lengden, siden kontaktfotavtrykket er lite for rør ved siden av hverandre.
Yamaguchi og co er raske til å påpeke begrensningene ved deres nye materiale. Selv om den har svært asymmetriske egenskaper, er dens høyeste termiske ledningsevne bare 43 W m-1 K-1, omtrent det samme som tinn/bly loddetinn.
Imidlertid tror de at de vet hvorfor det er så lavt sammenlignet med enkelt karbon nanorør. De sier at selv om nanorørene er i termisk kontakt fra ende til annen, er ikke denne kontakten perfekt. Hvert hopp som varmen må gjøre fra det ene nanorøret til det neste reduserer den termiske konduktansen. Og jo kortere rørene er, desto flere hopp kreves det.
Yamaguchi og co bruker nanorør som er bare 200 nanometer lange. Dette antyder at [termisk konduktans i retning av nanorørjustering] kan være enda større med lengre karbon-nanorør, sier de.
Å lage et lignende materiale av lengre nanorør vil ikke nødvendigvis være enkelt. Den selvorganiserende oppførselen som skaper de justerte filmene er vanskeligere for lengre nanorør. Men denne typen materialvitenskapelige utfordringer vil garantert interessere Yamaguchi og co og andre. Ingen tvil om at eksperimentene allerede er i gang, med termiske ingeniører som krysser fingrene.
Ref: arxiv.org/abs/1911.11340 : Enveis termisk transport i tett justert enkeltvegg karbon nanorør-filmer