Nanocaurules materiāls vada siltumu tikai vienā virzienā

foto, kurā redzamas nanocaurules Wikimedia commons

Siltums elektroinženieriem rada zināmu apgrūtinājumu. Tas samazina elektronisko ierīču uzticamību un pat izraisa to pilnīgu atteici. Tāpēc datora komponenti tiek bagātīgi nosmērēti ar termopastu un savienoti ar siltuma caurulēm, ventilatoriem un pat ūdens dzesēšanas sistēmām.

Mērķis ir novirzīt siltumu prom no jutīgām sastāvdaļām, lai tas varētu izkliedēties vidē. Bet, tā kā ierīces kļūst mazākas, izaicinājums kļūst arvien akūtāks, un, piemēram, mūsdienu tranzistori tiek mērīti nanometros.

Visrentablākie vadītāji ir metāli, piemēram, varš, taču siltums caur tiem vienlīdz labi pārvietojas visos virzienos. Tas nozīmē, ka siltums var izplatīties uz jebkuru citu sastāvdaļu, kas arī ir termiskā kontaktā ar metālu.

Efektīvāks vadītājs novirzītu siltumu vienā virzienā, bet ne perpendikulāri. Šajā gadījumā siltums pārvietotos pa šādu materiālu, bet ne pa to.

Šāda veida asimetrisks vadītājs ievērojami atvieglotu siltumtehnikas inženieru dzīvi. Bet tos izveidot ir grūti.

Ievadiet Shingi Yamaguchi no Tokijas universitātes Japānā un kolēģu grupu, kuri ir izveidojuši materiālu no rūpīgi izlīdzinātām oglekļa nanocaurulēm, kas vada siltumu tieši šādā veidā. Jaunajai vielai ir potenciāls mainīt veidu, kā siltumtehniskie inženieri izstrādā un veido dzesēšanas sistēmas datoriem un citām ierīcēm.

Vispirms nedaudz fona. Materiālu zinātnieki labi apzinās, ka oglekļa nanocaurules ir izcili vadītāji. Šo mazo cauruļu siltumvadītspēja pārsniedz 1000 W m-1 K-1. Salīdzinājumam, vara siltumvadītspēja ir aptuveni 400 W m-1 K-1.

Problēmas rodas, kad materiālu zinātnieki mēģina no nanocaurulēm izgatavot beztaras materiālu. Viņi to dara, ļaujot caurulēm nosēsties uz plastmasas pamatnes, veidojot slāni. Bet nanocaurules mēdz būt slikti izlīdzinātas vai nejauši sakārtotas.

Rezultātā tiem ir slikts termiskais kontakts viens ar otru, un tas samazina beramā materiāla vadītspēju. Ir svarīgi novērst šos strukturālos trūkumus, lai izmantotu atsevišķu oglekļa nanocauruļu augsto siltumvadītspēju saskaņotos oglekļa nanocauruļu komplektos, saka Yamaguchi un co.

To risinājums ir vienkāršs: tie rada materiālu, kurā oglekļa nanocaurules ir precīzi izlīdzinātas un tādējādi ir labā termiskā kontaktā no gala līdz galam.

Tas ir iespējams, pateicoties tehnoloģijai, kas pazīstama kā kontrolēta vakuuma filtrēšana. Tālajā 2012. gadā fiziķi atklāja, ka noteiktos apstākļos peldošās oglekļa nanocaurules var veidot pašorganizētu struktūru, kurā tās visas sakrīt kā kristālā.

Nanocaurules vispirms sajauc kopā šķidrumā, kas satur virsmaktīvo vielu, kas samazina tās virsmas spraigumu. Ja nanocauruļu koncentrācija ir zem kāda kritiskā līmeņa, tās sāk pašorganizēties uz šķidruma virsmas un kļūst blīvi izlīdzinātas.

Pēc tam šķidrumu noņem, uzmanīgi un lēni izsūcot to caur filtru, izmantojot vakuumu, atstājot nanocaurules. Rezultāts ir plāns ļoti saskaņotu nanocauruļu loksne ar dažām neparastām īpašībām.

Yamaguchi un co saka, ka jaunais materiāls vada siltumu nanocauruļu izlīdzināšanas virzienā ar siltuma vadītspēju 43 W m-1 K-1. Turpretim vadītspēja perpendikulārā virzienā ir par trim kārtām mazāka pie 0,085 W m-1 K-1, aptuveni tāda pati kā stikla šķiedrai.

Citiem vārdiem sakot, materiālam ir 500 reižu labāka vadītspēja vienā virzienā nekā otrā virzienā — lielākā asimetrija, kas jebkad novērota šāda veida materiāliem.

Iemesls ir vienkāršs. Kad nanocaurules atrodas termiskā kontaktā no gala līdz galam, siltums viegli pārvietojas no viena uz otru. Bet caurulēm nav labs termiskais kontakts visā to garumā, jo kontakta pēdas nospiedums ir niecīgs blakus esošajām caurulēm.

Yamaguchi un co ātri norāda uz sava jaunā materiāla ierobežojumiem. Lai gan tam ir ļoti asimetriskas īpašības, tā augstākā siltumvadītspēja ir tikai 43 W m-1 K-1, kas ir aptuveni tāda pati kā alvas/svina lodēšanai.

Tomēr viņi domā, ka zina, kāpēc tas ir tik zems, salīdzinot ar atsevišķām oglekļa nanocaurulēm. Viņi saka, ka, lai gan nanocaurules ir termiskā kontaktā no gala līdz galam, šis kontakts nav ideāls. Katrs lēciens, kas siltumam jāveic no vienas nanocaurules uz nākamo, samazina siltuma vadītspēju. Un jo īsākas ir caurules, jo vairāk ir nepieciešams lēciens.

Yamaguchi un co izmanto nanocaurules, kas ir tikai 200 nanometrus garas. Tas liecina, ka [siltuma vadītspēja nanocauruļu izlīdzināšanas virzienā] var būt vēl lielāka ar garākām oglekļa nanocaurulēm, viņi saka.

Līdzīga materiāla izgatavošana no garākām nanocaurulēm ne vienmēr būs vienkārša. Pašorganizējošā uzvedība, kas rada izlīdzinātās plēves, ir grūtāka garākām nanocaurulēm. Bet šāda veida materiālu zinātnes izaicinājums noteikti ieinteresēs Yamaguchi un co un citus. Bez šaubām, eksperimenti jau notiek, siltuminženieriem turot īkšķus.

Atsauce: arxiv.org/abs/1911.11340 : vienvirziena termiskais transports blīvi izlīdzinātās vienas sienas oglekļa nanocaurules plēvēs

paslēpties