Znajdź zawartość

Nowy nieorganiczny materiał, o bardzo niskim przewodnictwie cieplnym może poprawić wydajność energetyczną urządzeń. Obecnie nawet 70% generowanej energii jest marnowana w postaci ciepła odpadowego. Zjawisko to jest nie tylko bardzo niekorzystne dla środowiska naturalnego, ale również prowadzi do przegrzewania się urządzeń, spadku ich wydajności i trwałości. Jednak część tego ciepła można by odzyskiwać i zamieniać w energię za pomocą materiałów o niskiej przewodności cieplnej. Przewodność cieplna ciał stałych bierze się z zachowania ich fononów, czyli wibracji struktury krystalicznej. Można ją zmniejszyć na dwa sposoby. Albo skrócić drogę rozpraszania fononów, albo je spowolnić. Droga rozpraszania fononów zależy od ich wzajemnego rozpraszania oraz rozpraszania się na defektach materiałów lub ich granicach. Z kolei prędkość grupy fononów zależy od struktury i składu materiału. Dotychczas próbowano skracać drogę rozpraszania fononów poprzez wprowadzanie celowych defektów w materiałach czy też poprzez zmianę interakcji grup fononów na styku różnych warstw materiałów. Naukowcy z University of Liverpool wyprodukowali kompozytowy materiał, w którym warstwy BiOCl i Bi2O2Se pooddzielali od siebie warstwami Bi4O4SeCl2. W ten sposób uzyskali materiał, którego przewodność cieplna w temperaturze pokojowej w kierunku ułożenia warstw wynosi zaledwie 0,1 W K/m. To jedna z najlepszych wartości wśród materiałów nieorganicznych, jedynie 4-krotnie większa niż przewodność cieplna powietrza. Punktem wyjścia dla trwających pięć lat badań było zrozumienie, w jaki sposób struktura materiału pozwala na kontrolowanie przewodnictwa cieplnego. W efekcie uzyskali materiał, którego przewodnictwo cieplne jest niższe niż każdej z jego składowych z osobna. To zaś pokazało, jak ważna jest struktura atomowa i lokalizacja poszczególnych atomów, bo to one zdecydowały o uzyskaniu tak pożądanych cech nowego materiału. Autorzy badań, Matt Rosseinsky, Jon Alaria i ich zespół, chcą teraz tak zmodyfikować nowy materiał, by zyskał on właściwości termoelektryczne. Planują też wykorzystać swoje doświadczenia do pracy nad materiałami, którymi można będzie powlekać turbiny gazowe. Materiały takie muszą mieć przewodność cieplną niższą niż szkło, czyli poiżej 0,9 W/K/m. To jednak nie wszystko. Zdaniem autorów, łączenie materiałów o różnym ułożeniu atomów w celu zmniejszania przepływu ciepła, to bardzo obiecujący kierunek badań. Te materiały możemy udoskonalać osobno, optymalizując ich struktury, zanim jeszcze je połączymy, stwierdzają. « powrót do artykułu

Naukowcy z Vanderbilt University dokonali niespodziewanego odkrycia, które przyczyni się do znacznego udoskonalenia systemów chłodzenia komputerów. Z prac zespołu prowadzonego przez profesora Deyu Li wynika, że przewodnictwo termiczne nanowstążek boru może zwiększyć się nawet o 45% o ile zastosuje się odpowiednią technikę ich połączeń. Badania były prowadzone na borze, jednak ich wyniki generalnie odnoszą się do wszelkich innych materiałów cienkowarstwowych. To całkowicie nowy sposób kontrolowania efektów termalnych, który prawdopodobnie będzie miał znaczący wpływ na mikroelektronikę (jak smartfony i komputery), optolektronikę (jak lasery czy LED-y) oraz na wielu nowych polach - mówi profesor Greg Walker. Li poinformował, że nanowstążki są utrzymywane razem dzięki siłom van der Waalsa. Uważa się, że fonony, które transportują ciepło są rozpraszane przez siły van der Waalsa, co powoduje, że przewodnictwo cieplne obu nanowstążek jest takie samo, jak każdej z nich z osobna. My odkryliśmy coś wręcz przeciwnego. Stwierdziliśmy, że fonony mogą przekraczać granicę pomiędzy oddziaływaniami van der Waalsa i się nie rozpraszają, co znacząco zwiększa przewodnictwo cieplne - stwierdził Li. Jego zespół odkrył, że możliwe jest zwiększenie przewodnictwa cieplnego pomiędzy obszarami o niskim i wysoki napięciu dzięki poddaniu nanowstążek działaniu odpowiednich roztworów. Niezwykle ważne jest też odkrycie, że cały proces jest odwracalny. Na przykład zanurzenie nanowstążek w alkoholu izopropylowym, ich przyciśnięcie i pozwolenie, by wyschły powoduje, że ich przewodnictwo cieplne jest takie, jak pojedynczej nanowstążki. Jeśli jednak użyjemy alkoholu etylowego, przewodnictwo cieplne zwiększyło się. Ponowne zanurzenie ich w alkoholu izpropylowym spowodowało powrót przewodnictwa do poprzedniego poziomu. Sterowanie podstawowymi właściwościami materiałów, takimi jak przewodnictwo cieplne, jest bardzo trudne. Dlatego też badania te są niezwykle interesujące - mówi Walker.

Zespół z MIT-u (Massachusetts Institute of Technology), pracujący pod kierunkiem Ganga Chena, opracował nowatorski sposób kontrolowania przewodnictwa cieplnego i elektrycznego materiałów. Dzięki zmianie warunków zewnętrznych można uzyskać ponad 100-krotną zmianę przewodnictwa elektrycznego i ponad 3-krotną zmianę przewodnictwa cieplnego. Wynalazek jest tak nowatorski, że Chen i jego zespół spodziewają się, że już wkrótce kolejne zespoły naukowców będą informowały o nowych pomysłach na jego wykorzystanie. Jednym z możliwych zastosowań prac uczonych z MIT-u jest ochrona układów scalonych przed przegrzaniem się. W temperaturze pokojowej układ będzie pracował normalnie, ale w miarę jak jego temperatura będzie wzrastała poza ustaloną normę, ciepło zwiększy oporność materiału aż do momentu, gdy wysoka temperatura w ogóle uniemożliwi przepływ prądu. W tym momencie układ przestanie pracować, a jego temperatura zacznie spadać. Im będzie chłodzniejszy, tym wydajniej będzie przewodził prąd, a zatem tym szybciej będzie wykonywał swoje zadania. Inne potencjalne zastosowanie to przechowywanie ciepła zebranego np. z promieni słonecznych. Ciepło takie będzie można wykorzystać później np. do podgrzania wody. Wynalazek polega na rozpuszczeniu niewielkich płatków materiału w płynie, który w miarę zestalania się tworzy kryształy. Do swoich testów uczeni użyli płatków grafitu umieszczonych w heksadekanie. Wykazali jednak, że proces możliwa jest też kombinacja innych materiałów. Ważne, by ciecz, w której umieszczamy inny materiał krystalizowała podczas zestalania się. Ciecz użyta w eksperymentach MIT-u ma punkt tonienia bliski temperaturze pokojowej. Całość działa dzięki temu, że gdy płyn zamarza, ciśnienie tworzące kryształy przybliża do siebie cząstki rozpuszczonego materiału, zwiększając przewodnictwo cieplne i elektryczne całości. Gdy płyn się rozpuszcza, zachodzi proces odwrotny, a przewodnictwo zmniejsza się. Grafit stanowił 0,2% całego systemu, dzięki czemu roztwór był bardzo stabilny. Płatki grafitu mogły nieograniczenie długo pozostawać zawieszone w roztworze, co wykazano eksperymentalnie badając zbiornik po trzech miesiącach od umieszczenia w nim roztworu. Gang Chen mówi, że temperatury, w jakich będzie zachodził cały proces można odpowiednio dobierać zmieniając materiały, z których uzyskamy roztwór. Wykorzystanie zmiany fazy do kontrolowania przewodnictwa nanokompozytu to bardzo sprytny pomysł - mówi Li Shi, profesor z University o Texas i dodaje, że nigdy wcześniej o czymś takim nie słyszał. To bardzo ważne osiągnięcie. Przełączniki cieplne istnieją, jednak składają się z różnych elementów zrobionych z różnych materiałów, a tutaj mamy do czynienia z systemem, który nie posiada makroskopowych ruchomych części. Wspaniała robota - stwierdził Joseph Heremans, profesor fizyki i inżynierii lotnictwa z Ohio State University.

Naukowcy z Purude University dowiedli, że wykorzystując węglowe nanorurki można wyprodukować materiał, który jest wyjątkowo dobrym przewodnikiem ciepła. Odkryty materiał należy do klasy TIM (Thermal Interface Material). Dotychczas materiały TIM składały się z tłuszczów, wosków oraz folii wykonanej z indu. Najpowszechniej wykorzystywaną odmianą TIM jest biała bądź srebrna pasta bardzo często używana pomiędzy procesorem a radiatorem. Jej zadaniem jest usprawnienie odprowadzania ciepła z CPU. Grupa specjalistów Uniwersytetu Purdue wykazała, że wykorzystując węglowe rurki, jesteśmy w stanie wyprodukować jeszcze bardziej skuteczny TIM. Naukowcy zaprezentowali światu metodę „rosnącą”, opisując ją jako nieskończoną liczbę cieniutkich węglowych nanorurek w postaci cylindra znajdujących się na powierzchni chipa usprawniających przepływ ciepła. NTIM, czyli Nanotube Thermal Interface Material, wzrasta bezpośrednio na powierzchni chipa wypełniając luki i wyżłobienia na powierzchni układu scalonego. Jeden z naukowców twierdzi, że odkrycie umożliwi produkcję materiału, który dostosuje się do nierównych powierzchni radiatora, napotykając tym samym mniejszy opór podczas przewodzenia ciepła niż w przypadku podobnych substancji wykorzystywanych obecnie w przemyśle. Węglowe nanorurki wyrastają bezpośrednio z powierzchni układu scalonego wykorzystując do wzrostu dendrymery, czyli rozgałęzione polimery, które dzięki swojej regularności tworzą fraktalopodobne struktury. Dendrymery są hodowane dzięki katalizowaniu cząsteczek, a następnie poddawane są działaniu metanu. Kolejnym etapem jest użycie mikrofal, które powodują rozbicie gazu zawierającego węgiel. Później cząstki poddane procesowi katalizacji doprowadzają do połączenia nanorurek, które w konsekwencji wyrastają pionowo na powierzchni chipa. Nie wiadomo kiedy i czy w ogóle najnowsza technologia znajdzie zastosowanie w urządzeniach codziennego użytku. Faktem jest, iż modyfikacje materiałów typu TIM lepiej przewodzą ciepło, co pozwoli na dalszą miniaturyzację podzespołów komputerowych.