Природа исследования материалов: Повышение теплопередачи с наноклеем

Команда междисциплинарных исследователей в политехническом институте Rensselaer разработала новый метод, значительно увеличивающий скорость передачи тепла через два различных материала. Результаты исследования команды, опубликованные в журнале Nature Materials, могут позволить новые достижения в области охлаждения компьютерных чипов и светодиодных устройств освещения (LED), сбора солнечной энергии, сбора тепловых отходов и других приложений.

Накладывая слой ультратонкого "наноклея" между медью и диоксидом кремния, исследовательская команда продемонстрировала четырехкратное увеличение теплопроводности на границе раздела между двумя материалами. Менее чем нанометр или одной миллиардной метра толщиной, наноклей представляет собой слой молекул, которые образуют прочные связи с медью (металл) и диоксидом кремния (керамика), которые в противном случае хорошо не склеиваются. Этот вид наномолекулярной блокировки улучшает адгезию, а также помогает синхронизировать колебаний атомов, составляющих два материала, которые, в свою очередь, способствуюут более эффективному перенос частиц тепла, называемых фононами. Помимо меди и кремния, исследовательская группа продемонстрировала свой подход работы с другими металлокерамическими интерфейсами.

Передача тепла является важным аспектом многих различных технологий. Так как компьютерные чипы становятся меньше и более сложными, производители постоянно находятся в поиске новых и более совершенных средств удаления избыточного тепла с полупроводниковых устройств для повышения надежности и производительности. С помощью фотогальванических устройств, например, улучшение переноса тепла приводит к более эффективному преобразованию солнечного света в электрическую энергию. Светодиодные производители также ищут способы повышения эффективности за счет снижения части входной мощности, которая теряется в виде тепла. Ганапати Раманат, профессор кафедры материаловедения и Машиностроения в Rensselaer, который провел новое исследование, сказал, что способность усиливать и оптимизировать межфазную теплопроводность должна привести к появлению новых инноваций в этих и других применениях.

"Интерфейсы между различными материалами, это часто узкий тепловой поток из-за замедления переноса фононов. Вставка третьего материала, как правило, только делает хуже из-за дополнительного созданного интерфейса", – сказал Раманат. "Тем не менее, наш метод введения ультратонкий нанослой органических молекул, которые сильно связываются с обоими материалами на границе раздела, что приводит к многократному увеличению межфазной теплопроводимости, вопреки плохой теплопроводности неорганически-органических интерфейсов. Этот метод для настройки функции теплопроводимости путем регулирования адгезии с использованием органического нанослоя работает для нескольких систем материалов, а также предлагает новые средства на молекулярном уровне манипулирования несколькими свойствами при различных типах интерфейсов материалов. Кроме того, это здорово, быть в состоянии сделать это довольно ненавязчиво простым методом самосборки одного слоя молекул".

Результаты нового исследования под названием "Связующе-индуцированное повышение теплопроводности при неорганических гетерограницах, использующих наномолекулярные монослои" были опубликованы в Интернете на прошлой неделе в Nature Materials, и они появятся в следующем печатном издании журнала.

Исследовательская группа использовала комбинацию экспериментов и теории для подтверждения своих выводов.

"Наше исследование устанавливает взаимосвязь между межфазной прочностью сцепления и теплопроводностью, которая служит для поддержки новых теоретических описаний и открывает новые способы контроля межфазного переноса тепла", – сказал соавтор Павел Кеблински, профессор кафедры материаловедения и машиностроения Rensselaer.

"Это действительно замечательно, что один молекулярный слой может привести к такому большому улучшению тепловых свойств интерфейсов путем формирования прочных межфазных связей. Это было бы полезно для регулирования переноса тепла для многих применений в электронике, освещения и производства энергии", – сказал соавтор Масаси Йамагучи, доцент кафедры физики, прикладной физики и астрономии в Rensselaer.

Это исследование было профинансировано при поддержке Национального Научного Фонда (NSF).

"Главная цель спонсоров исследования NSF профессора Раманата является выяснение, использования первых базовых законов моделей, влияние молекулярной химии, химической среды, интерфейса топографии и термомеханической предачи теплопроводимости металлокерамических интерфейсов модифицированных молекулярным нанослоем", – сказал Кларк В. Купер, старший советник по науке в дирекции NSF физико-математических наук, который ранее занимал должность директора по программам материалов и инженерии поверхности. "В соответствии с миссией NSF, в центре внимания его исследования является развитие фундаментальной науки, но эти потенциальные социальные выгоды исследования огромны."

"Это прекрасный пример взаимодействия между физическими, химическими и механическими свойствами, работающих в унисон на наноуровне для определения переноса тепловой характеристики при неодинаковых металлокерамических интерфейсов", – сказал Анупама Б. Кауль, директор программы отдела электротехники, связи и киберсистем в управлении NSF по инженерным наукам. "Тот факт, что органический наномолекулярный слой просто в толщине монослой, и все же имеет такое большое влияние на тепловые характеристики действительно поразительно. Результаты доктора Раманат должны быть особенно ценными в наноэлектронике, где управление тепла за счет сокращающихся размеров устройство продолжает быть областью активных исследований".