Ett nanorörsmaterial leder värme i bara en riktning

fotografi av nanorör som skapas Wikimedia commons

Värme är något av en olägenhet för elingenjörer. Det minskar tillförlitligheten hos elektroniska enheter och får dem till och med att misslyckas helt. Det är därför datorkomponenter rikligt smetas med termisk pasta och ansluts till värmerör, fläktar och till och med vattenkylningssystem.

Målet är att kanalisera värmen bort från känsliga komponenter så att den kan försvinna ut i miljön. Men när enheterna blir mindre blir utmaningen mer akut – och moderna transistorer, till exempel, mäts i nanometer.

De mest kostnadseffektiva ledarna är metaller som koppar, men värme går igenom dem lika bra i alla riktningar. Det betyder att värme kan spridas till vilken annan komponent som helst som också är i termisk kontakt med metallen.

En mer effektiv ledare skulle kanalisera värme i en riktning men inte i den vinkelräta. I det här fallet skulle värme färdas längs ett sådant material men inte över det.

Denna typ av asymmetrisk ledare skulle göra värmeingenjörernas liv avsevärt enklare. Men att skapa dem är svårt.

Ange Shingi Yamaguchi vid University of Tokyo i Japan och en grupp kollegor, som har skapat ett material av noggrant inriktade kolnanorör som leder värme på just detta sätt. Det nya ämnet har potential att revolutionera hur termiska ingenjörer designar och bygger kylsystem för datorer och andra enheter.

Först lite bakgrund. Materialforskare är väl medvetna om att kolnanorör är exceptionella ledare. Dessa små rör har en värmeledningsförmåga på över 1 000 W m-1 K-1. Som jämförelse har koppar en värmeledningsförmåga på cirka 400 W m-1 K-1.

Problemet uppstår när materialforskare försöker göra ett bulkmaterial av nanorör. De gör detta genom att låta rören lägga sig på ett plastsubstrat och bilda ett lager. Men nanorören tenderar att vara dåligt anpassade eller slumpmässigt arrangerade.

Som ett resultat är de i dålig termisk kontakt med varandra, och detta minskar ledningsförmågan hos bulkmaterialet. Det är viktigt att eliminera dessa strukturella brister för att utnyttja den höga värmeledningsförmågan hos enskilda kolnanorör i linjerade kolnanorörsenheter, säger Yamaguchi och co.

Deras lösning är enkel: de skapar ett material där kolnanorören är exakt inriktade och därför har god termisk kontakt från ände till ände.

Detta är möjligt tack vare en teknik som kallas kontrollerad vakuumfiltrering. Redan 2012 upptäckte fysiker att under vissa omständigheter kan flytande kolnanorör bilda en självorganiserad struktur där de alla blir inriktade som i en kristall.

Nanorören blandas först ihop i en vätska som innehåller ett ytaktivt ämne som minskar dess ytspänning. Förutsatt att koncentrationen av nanorör är under någon kritisk nivå, börjar de sedan självorganisera sig på vätskans yta och blir tätt inriktade.

Vätskan avlägsnas sedan genom att försiktigt och långsamt suga den genom ett filter med hjälp av ett vakuum och lämna kvar nanorören. Resultatet är ett tunt ark av högjusterade nanorör med några extraordinära egenskaper.

Yamaguchi och co säger att det nya materialet leder värme i riktning mot nanorörsinriktning med en termisk konduktans på 43 W m-1 K-1. Däremot är konduktansen i den vinkelräta riktningen tre storleksordningar mindre vid 0,085 W m-1 K-1, ungefär samma som glasfiber.

Materialet är med andra ord 500 gånger bättre på att leda i en riktning än i den andra - den största asymmetri som någonsin observerats för den här typen av material.

Anledningen är enkel. När nanorören är i termisk kontakt från ände till ände, färdas värme lätt från en till en annan. Men rören har inte god termisk kontakt längs sin längd, eftersom kontaktfotavtrycket är litet för rör bredvid varandra.

Yamaguchi och co är snabba med att påpeka begränsningarna i sitt nya material. Även om den har enormt asymmetriska egenskaper, är dess högsta värmeledningsförmåga bara 43 W m-1 K-1, ungefär samma som tenn/blylod.

Men de tror att de vet varför det är så lågt jämfört med det för enkla kolnanorör. De säger att även om nanorören är i termisk kontakt från ände till ände, är denna kontakt inte perfekt. Varje hopp som värmen måste göra från ett nanorör till nästa minskar den termiska konduktansen. Och ju kortare rören är, desto fler hopp krävs.

Yamaguchi och co använder nanorör som bara är 200 nanometer långa. Detta tyder på att den [värmeledningsförmågan i riktning mot nanorörsinriktning] kan vara ännu större med längre beståndsdelar av kolnanorör, säger de.

Att göra ett liknande material av längre nanorör kommer inte nödvändigtvis att vara enkelt. Det självorganiserande beteendet som skapar de anpassade filmerna är svårare för längre nanorör. Men den här typen av materialvetenskaplig utmaning kommer säkert att intressera Yamaguchi och co och andra. Experimenten är utan tvekan redan igång, med termiska ingenjörer som håller tummarna.

Ref: arxiv.org/abs/1911.11340 : Termisk transport i en riktning i tätt inriktade enkelväggiga kolnanorörsfilmer

Dölj