Nanovamzdelio medžiaga praleidžia šilumą tik viena kryptimi

kuriamų nanovamzdelių nuotrauka Wikimedia Commons

Šiluma yra tam tikras nepatogumas elektros inžinieriams. Tai sumažina elektroninių prietaisų patikimumą ir netgi sukelia visišką jų gedimą. Štai kodėl kompiuterių komponentai gausiai ištepti termo pasta ir jungiami prie šilumos vamzdžių, ventiliatorių ir net vandens aušinimo sistemų.

Tikslas yra nukreipti šilumą nuo jautrių komponentų, kad ji galėtų išsisklaidyti į aplinką. Tačiau prietaisams mažėjant, iššūkis tampa vis aštresnis, o, pavyzdžiui, šiuolaikiniai tranzistoriai matuojami nanometrais.

Ekonomiškiausi laidininkai yra metalai, tokie kaip varis, tačiau šiluma per juos sklinda vienodai gerai visomis kryptimis. Tai reiškia, kad šiluma gali plisti į bet kurį kitą komponentą, kuris taip pat turi terminį kontaktą su metalu.

Veiksmingesnis laidininkas nukreiptų šilumą viena kryptimi, bet ne statmena. Tokiu atveju šiluma keliauja per tokią medžiagą, bet ne per ją.

Toks asimetrinis laidininkas žymiai palengvintų šilumos inžinierių gyvenimą. Tačiau juos sukurti yra sunku.

Įveskite Shingi Yamaguchi iš Tokijo universiteto Japonijoje ir kolegų grupę, kuri iš kruopščiai išlygintų anglies nanovamzdelių sukūrė medžiagą, kuri būtent tokiu būdu praleidžia šilumą. Naujoji medžiaga gali pakeisti būdą, kaip šilumos inžinieriai projektuoja ir kuria kompiuterių ir kitų įrenginių aušinimo sistemas.

Pirmiausia šiek tiek fono. Medžiagų mokslininkai puikiai žino, kad anglies nanovamzdeliai yra išskirtiniai laidininkai. Šių mažyčių vamzdelių šilumos laidumas viršija 1000 W m-1 K-1. Palyginimui, vario šilumos laidumas yra apie 400 W m-1 K-1.

Bėda iškyla, kai medžiagų mokslininkai bando iš nanovamzdelių pagaminti masinę medžiagą. Jie tai daro leisdami vamzdeliams nusėsti ant plastikinio pagrindo ir sudaryti sluoksnį. Tačiau nanovamzdeliai dažniausiai būna prastai išlyginti arba atsitiktinai išdėstyti.

Dėl to jie turi prastą terminį kontaktą vienas su kitu, o tai sumažina birių medžiagų laidumą. Labai svarbu pašalinti šiuos struktūrinius trūkumus, kad būtų panaudotas didelis atskirų anglies nanovamzdelių šilumos laidumas suderintuose anglies nanovamzdelių mazguose, sako Yamaguchi ir kt.

Jų sprendimas yra paprastas: jie sukuria medžiagą, kurioje anglies nanovamzdeliai yra tiksliai išlyginti ir todėl turi gerą terminį kontaktą nuo galo iki galo.

Tai įmanoma dėl technikos, žinomos kaip kontroliuojamas vakuuminis filtravimas. 2012 m. fizikai išsiaiškino, kad tam tikromis aplinkybėmis plūduriuojantys anglies nanovamzdeliai gali sudaryti savaime organizuotą struktūrą, kurioje jie visi išsirikiuoja kaip kristale.

Pirmiausia nanovamzdeliai sumaišomi skystyje, kuriame yra paviršiaus aktyviosios medžiagos, mažinančios jo paviršiaus įtampą. Jei nanovamzdelių koncentracija yra mažesnė už tam tikrą kritinį lygį, tada jie pradeda savaime organizuoti skysčio paviršių ir tankiai išsirikiuoja.

Tada skystis pašalinamas atsargiai ir lėtai išsiurbiant jį per filtrą naudojant vakuumą, paliekant nanovamzdelius. Rezultatas yra plonas labai suderintų nanovamzdelių lakštas, turintis tam tikrų ypatingų savybių.

Yamaguchi ir bendradarbiai teigia, kad naujoji medžiaga praleidžia šilumą nanovamzdelių išlyginimo kryptimi, o šilumos laidumas yra 43 W m-1 K-1. Priešingai, laidumas statmena kryptimi yra trimis dydžiais mažesnis esant 0,085 W m-1 K-1, maždaug toks pat kaip stiklo pluošto.

Kitaip tariant, medžiaga yra 500 kartų geriau laidi viena kryptimi nei kita – tai didžiausia kada nors pastebėta tokių medžiagų asimetrija.

Priežastis paprasta. Kai nanovamzdeliai yra terminiame kontakte nuo galo iki galo, šiluma lengvai keliauja iš vieno į kitą. Tačiau vamzdeliai neturi gero terminio kontakto per visą jų ilgį, nes vamzdžių, esančių šalia vienas kito, kontakto pėdsakas yra mažas.

Yamaguchi ir bendradarbiai greitai atkreipia dėmesį į savo naujos medžiagos apribojimus. Nors jis turi labai asimetrines savybes, didžiausias jo šilumos laidumas yra tik 43 W m-1 K-1, maždaug toks pat kaip alavo/švino lydmetalio.

Tačiau jie mano, kad žino, kodėl jis toks mažas, palyginti su pavienių anglies nanovamzdelių kiekiu. Jie sako, kad nors nanovamzdeliai yra termiškai kontaktuojami nuo galo iki galo, šis kontaktas nėra tobulas. Kiekvienas šilumos šuolis iš vieno nanovamzdelio į kitą sumažina šilumos laidumą. Ir kuo trumpesni vamzdžiai, tuo daugiau šuolių reikia.

Yamaguchi ir bendradarbiai naudoja tik 200 nanometrų ilgio nanovamzdelius. Tai rodo, kad [šilumos laidumas nanovamzdelių išlyginimo kryptimi] gali būti dar didesnis naudojant ilgesnius anglies nanovamzdelius, sako jie.

Padaryti panašią medžiagą iš ilgesnių nanovamzdelių nebūtinai bus paprasta. Savaime organizuojantis elgesys, sukuriantis suderintas plėveles, yra sunkesnis ilgesniems nanovamzdiams. Tačiau toks medžiagų mokslo iššūkis tikrai sudomins Yamaguchi ir kitus bei kitus. Be jokios abejonės, eksperimentai jau vyksta, šilumos inžinieriai laiko kumščius.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1911.11340 : vienos krypties terminis transportavimas tankiai išlygintose vienos sienelės anglies nanovamzdelių plėvelėse

paslėpti