Materiał nanorurek przewodzi ciepło tylko w jednym kierunku

fotografia powstających nanorurek Wikimedia Commons

Ciepło jest uciążliwe dla inżynierów elektryków. Zmniejsza niezawodność urządzeń elektronicznych, a nawet powoduje ich całkowitą awarię. Dlatego komponenty komputera są obficie smarowane pastą termiczną i podłączane do rurek cieplnych, wentylatorów, a nawet systemów chłodzenia wodą.

Celem jest odprowadzenie ciepła z dala od wrażliwych elementów, aby mogło ono rozproszyć się do otoczenia. Jednak w miarę jak urządzenia stają się coraz mniejsze, wyzwanie staje się coraz bardziej dotkliwe — na przykład współczesne tranzystory są mierzone w nanometrach.

Najbardziej opłacalnymi przewodnikami są metale, takie jak miedź, ale ciepło rozchodzi się przez nie równie dobrze we wszystkich kierunkach. Oznacza to, że ciepło może rozprzestrzenić się na dowolny inny element, który również ma kontakt termiczny z metalem.

Bardziej efektywny przewodnik odprowadzałby ciepło w jednym kierunku, ale nie prostopadłym. W takim przypadku ciepło przemieszczałoby się wzdłuż takiego materiału, ale nie w poprzek.

Ten rodzaj przewodnika asymetrycznego znacznie ułatwiłby życie inżynierom termicznym. Ale tworzenie ich jest trudne.

Wchodzi Shingi Yamaguchi z Uniwersytetu Tokijskiego w Japonii i grupa kolegów, którzy stworzyli materiał ze starannie ułożonych nanorurek węglowych, który przewodzi ciepło właśnie w ten sposób. Nowa substancja może zrewolucjonizować sposób, w jaki inżynierowie ds. ciepła projektują i budują systemy chłodzenia komputerów i innych urządzeń.

Najpierw trochę tła. Naukowcy zajmujący się materiałami doskonale zdają sobie sprawę, że nanorurki węglowe są wyjątkowymi przewodnikami. Te maleńkie rurki mają przewodność cieplną przekraczającą 1000 W m-1 K-1. Dla porównania miedź ma przewodność cieplną około 400 W m-1 K-1.

Problem pojawia się, gdy naukowcy zajmujący się materiałami próbują wytworzyć materiał sypki z nanorurek. Robią to, pozwalając rurkom osiąść na plastikowym podłożu, tworząc warstwę. Ale nanorurki są zwykle źle ułożone lub rozmieszczone losowo.

W rezultacie mają one ze sobą słaby kontakt termiczny, co zmniejsza przewodność materiału sypkiego. Bardzo ważne jest wyeliminowanie tych braków strukturalnych, aby wykorzystać wysoką przewodność cieplną poszczególnych nanorurek węglowych w dopasowanych zespołach nanorurek węglowych, mówi Yamaguchi i spółka.

Ich rozwiązanie jest proste: tworzą materiał, w którym nanorurki węglowe są precyzyjnie ułożone i dzięki temu mają dobry kontakt termiczny od końca do końca.

Jest to możliwe dzięki technice znanej jako kontrolowana filtracja próżniowa. W 2012 roku fizycy odkryli, że w pewnych okolicznościach pływające nanorurki węglowe mogą tworzyć samoorganizującą się strukturę, w której wszystkie ustawiają się w jednej linii jak w krysztale.

Nanorurki są najpierw mieszane razem w cieczy zawierającej środek powierzchniowo czynny, który zmniejsza ich napięcie powierzchniowe. Pod warunkiem, że stężenie nanorurek jest poniżej pewnego krytycznego poziomu, zaczynają one samoorganizować się na powierzchni cieczy i gęsto układać.

Ciecz jest następnie usuwana poprzez ostrożne i powolne odsysanie jej przez filtr przy użyciu próżni, pozostawiając za sobą nanorurki. Rezultatem jest cienki arkusz wysoce wyrównanych nanorurek o niezwykłych właściwościach.

Yamaguchi i wsp. twierdzą, że nowy materiał przewodzi ciepło w kierunku ustawienia nanorurek o przewodności cieplnej 43 W m-1 K-1. Natomiast przewodność w kierunku prostopadłym jest o trzy rzędy wielkości mniejsza przy 0,085 W m-1 K-1, mniej więcej tyle samo, co włókno szklane.

Innymi słowy, materiał przewodzi 500 razy lepiej w jednym kierunku niż w drugim — to największa asymetria, jaką kiedykolwiek zaobserwowano dla tego rodzaju materiałów.

Powód jest prosty. Gdy nanorurki są w kontakcie termicznym od końca do końca, ciepło łatwo przemieszcza się między sobą. Ale rury nie mają dobrego kontaktu termicznego na całej swojej długości, ponieważ ślad styku jest mały dla rur obok siebie.

Yamaguchi i spółka szybko zwracają uwagę na ograniczenia swojego nowego materiału. Chociaż ma bardzo asymetryczne właściwości, jego najwyższa przewodność cieplna wynosi zaledwie 43 W m-1 K-1, mniej więcej tyle samo, co lut cynowo-ołowiowy.

Uważają jednak, że wiedzą, dlaczego jest tak niski w porównaniu z nanorurek jednowęglowych. Mówią, że chociaż nanorurki są w kontakcie termicznym od końca do końca, kontakt ten nie jest doskonały. Każdy skok, jaki ciepło musi wykonać z jednej nanorurki do następnej, zmniejsza przewodność cieplną. A im krótsze rurki, tym więcej wymaganych skoków.

Yamaguchi i spółka używają nanorurek o długości zaledwie 200 nanometrów. Sugeruje to, że [przewodnictwo cieplne w kierunku ułożenia nanorurek] może być jeszcze większe w przypadku dłuższych składowych nanorurek węglowych.

Wytworzenie podobnego materiału z dłuższych nanorurek niekoniecznie będzie proste. Samoorganizujące się zachowanie, które tworzy wyrównane filmy, jest trudniejsze w przypadku dłuższych nanorurek. Ale tego rodzaju wyzwanie materiałoznawcze z pewnością zainteresuje Yamaguchi i spółkę oraz innych. Bez wątpienia eksperymenty już trwają, a inżynierowie cieplni trzymają kciuki.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1911.11340 : Jednokierunkowy transport termiczny w gęsto wyrównanych jednościennych foliach z nanorurek węglowych

ukryć