211service.com
Een nanobuismateriaal geleidt warmte in slechts één richting
foto van nanobuisjes die worden gemaakt Wikimedia commons
Warmte is iets vervelends voor elektrotechnici. Het vermindert de betrouwbaarheid van elektronische apparaten en zorgt er zelfs voor dat ze volledig uitvallen. Daarom worden computercomponenten rijkelijk besmeurd met koelpasta en aangesloten op warmtepijpen, ventilatoren en zelfs waterkoelsystemen.
Het doel is om de warmte weg te leiden van gevoelige componenten, zodat deze naar de omgeving kan worden afgevoerd. Maar naarmate apparaten kleiner worden, wordt de uitdaging groter - en moderne transistors worden bijvoorbeeld gemeten in nanometers.
De meest kostenefficiënte geleiders zijn metalen zoals koper, maar de warmte gaat er even goed doorheen in alle richtingen. Dat betekent dat warmte zich kan verspreiden naar elk ander onderdeel dat ook in thermisch contact staat met het metaal.
Een effectievere geleider zou warmte in één richting kanaliseren, maar niet in de loodrechte. In dit geval zou warmte langs een dergelijk materiaal reizen, maar niet eroverheen.
Dit soort asymmetrische geleider zou het leven van thermische ingenieurs aanzienlijk gemakkelijker maken. Maar ze maken is moeilijk.
Betreed Shingi Yamaguchi van de Universiteit van Tokio in Japan en een groep collega's, die een materiaal hebben gemaakt van zorgvuldig uitgelijnde koolstofnanobuisjes die warmte op precies deze manier geleiden. De nieuwe stof heeft het potentieel om een revolutie teweeg te brengen in de manier waarop thermische ingenieurs koelsystemen voor computers en andere apparaten ontwerpen en bouwen.
Eerst wat achtergrond. Materiaalwetenschappers zijn zich er terdege van bewust dat koolstofnanobuisjes uitzonderlijke geleiders zijn. Deze minuscule buisjes hebben een warmtegeleidingsvermogen van meer dan 1.000 W m-1 K-1. Ter vergelijking: koper heeft een warmtegeleidingsvermogen van ongeveer 400 W m-1 K-1.
Het probleem ontstaat wanneer materiaalwetenschappers een bulkmateriaal proberen te maken van nanobuisjes. Dit doen ze door de buizen op een kunststof ondergrond te laten bezinken en een laag te vormen. Maar de nanobuisjes zijn meestal slecht uitgelijnd of willekeurig gerangschikt.
Hierdoor hebben ze slecht thermisch contact met elkaar en dit vermindert de geleidbaarheid van het stortgoed. Het is essentieel om deze structurele tekortkomingen te elimineren om de hoge thermische geleidbaarheid van individuele koolstofnanobuisjes in uitgelijnde koolstofnanobuisjes te gebruiken, zegt Yamaguchi en co.
Hun oplossing is eenvoudig: ze creëren een materiaal waarin de koolstofnanobuisjes precies zijn uitgelijnd en daarom in goed end-to-end thermisch contact staan.
Dit is mogelijk dankzij een techniek die bekend staat als gecontroleerde vacuümfiltratie. In 2012 ontdekten natuurkundigen dat zwevende koolstofnanobuisjes onder bepaalde omstandigheden een zelfgeorganiseerde structuur kunnen vormen waarin ze allemaal uitgelijnd worden als in een kristal.
De nanobuisjes worden eerst met elkaar gemengd in een vloeistof die een oppervlakteactieve stof bevat die de oppervlaktespanning ervan verlaagt. Op voorwaarde dat de concentratie van nanobuisjes onder een bepaald kritisch niveau ligt, beginnen ze zichzelf te organiseren op het oppervlak van de vloeistof en worden ze dicht uitgelijnd.
De vloeistof wordt vervolgens verwijderd door deze voorzichtig en langzaam door een filter te zuigen met behulp van een vacuüm, waarbij de nanobuisjes achterblijven. Het resultaat is een dunne plaat van sterk uitgelijnde nanobuisjes met een aantal buitengewone eigenschappen.
Yamaguchi en co zeggen dat het nieuwe materiaal warmte geleidt in de richting van de uitlijning van nanobuisjes met een warmtegeleidingsvermogen van 43 W m-1 K-1. Daarentegen is de geleidbaarheid in de loodrechte richting drie orden van grootte kleiner bij 0,085 W m-1 K-1, ongeveer hetzelfde als glasvezel.
Met andere woorden, het materiaal geleidt 500 keer beter in de ene richting dan in de andere - de grootste asymmetrie die ooit voor dit soort materialen is waargenomen.
De reden is simpel. Wanneer de nanobuisjes van begin tot eind in thermisch contact staan, gaat warmte gemakkelijk van de ene naar de andere. Maar de buizen hebben geen goed thermisch contact over hun lengte, omdat de contactvoetafdruk klein is voor buizen naast elkaar.
Yamaguchi en co wijzen snel op de beperkingen van hun nieuwe materiaal. Hoewel het enorm asymmetrische eigenschappen heeft, is de hoogste thermische geleidbaarheid slechts 43 W m-1 K-1, ongeveer hetzelfde als tin/loodsoldeer.
Ze denken echter te weten waarom het zo laag is in vergelijking met dat van nanobuisjes met enkelvoudige koolstof. Ze zeggen dat hoewel de nanobuisjes van begin tot eind in thermisch contact staan, dit contact niet perfect is. Elke sprong die de warmte van de ene nanobuis naar de andere moet maken, vermindert de thermische geleidbaarheid. En hoe korter de buizen, hoe meer sprongen er nodig zijn.
Yamaguchi en co gebruiken nanobuisjes van slechts 200 nanometer lang. Dit suggereert dat de [thermische geleiding in de richting van uitlijning van nanobuisjes] zelfs groter kan zijn met langere samenstellende koolstofnanobuizen, zeggen ze.
Een soortgelijk materiaal maken van langere nanobuisjes zal niet per se eenvoudig zijn. Het zelforganiserende gedrag dat de uitgelijnde films creëert, is moeilijker voor langere nanobuisjes. Maar dit soort materiaalwetenschappelijke uitdagingen zullen Yamaguchi en co en anderen zeker interesseren. Ongetwijfeld zijn de experimenten al aan de gang, met thermische ingenieurs die duimen.
Referentie: arxiv.org/abs/1911.11340 : Thermisch transport in één richting in dicht uitgelijnde enkelwandige koolstofnanobuisfilms