Ibland, ett enkelt beslut att prova något okonventionellt kan leda till en betydande upptäckt.

En välkänd metod för att tillverka kylflänsar för elektroniska enheter är en process som kallas sintring, i vilken pulveriserad metall formas till en önskad form och sedan upphettas i vakuum för att binda partiklarna ihop. Men i ett experiment nyligen, några studenter försökte sintra kopparpartiklar i luften och fick en stor överraskning.

Istället för den förväntade fasta metallformen, vad de hittade var en massa partiklar som hade vuxit långa morrhår av oxiderat koppar. ”Det var något serendipitöst, ”Säger Kripa Varanasi, d’Arbeloff Biträdande professor i maskinteknik vid MIT. "Vi har de här galna grejerna, partiklar täckta av nanotrådar, Säger han.

Den resulterande processen kan visa sig vara en viktig ny metod för tillverkning av strukturer som sträcker sig över ett antal storlekar ner till några nanometer (miljarddels meter) i storlek. ”Du går i ett steg från fast sfäriskt pulver till mycket komplexa strukturer, Säger Christopher Love, en maskiningenjörsexamen som är huvudförfattare på pappret. ”Processen är väldigt enkel, och strukturerna är hållbara, Säger han. Dessa nya strukturer kan användas för att hantera värmeflödet i olika applikationer, allt från kraftverk till kylning av elektronik.

Partiklarna var inte bara täckta med fina trådar, men trådarnas överflöd visade sig bero på storleken på de ursprungliga kopparpartiklarna. ”Vi är de första som observerar en storleksberoende oxidation i koppar, ”Säger Varanasi. Det betyder att forskare enkelt kan syntetisera porösa strukturer i olika skalor, i bulk, genom att välja de partiklar de börjar med:Partiklar mindre än en viss sinterstorlek, medan större partiklar växer nanotrådar.

Upptäckten rapporteras i ett papper som publiceras i tidningen RSC Nanoscale. Förutom Varanasi och kärlek, uppsatsens författare är civilingenjörsexamen J. David Smith och postdoc Yuehua Cui från Laboratory for Manufacturing and Productivity.

Sådana hierarkiska strukturer kan vara mycket effektiva för termisk hantering, kyler allt från mikroprocessorer till pannor i stora kraftverk. De kan till och med visa sig vara användbara vid konstruerad geotermisk kraft, som har stora löften som ett system för att tillhandahålla ren, förnybar kraft. Eftersom de resulterande strukturerna är så enkla att styra, "Du kan optimera dem för att kontrollera fenomen som äger rum i olika längd- och tidsskalor, ”Säger Varanasi.

Medan tillväxten av nanotrådar på bulk kopparark hade observerats tidigare, Varanasi säger, detta är första gången det har observerats över en mängd olika skalor på en gång, och första gången har processen analyserats och förklarats. "Det har funnits ett gäng olika teorier om hur dessa nanotrådar växer, Säger han. Men nu, "Detta papper grundligt fastställt" vad mekanismen är för kopparpartiklar:Borsten växer utåt genom diffusion, lämnar partiklarna ihåliga i mitten när metallen migrerar utåt.

Teamet testar nu samma process med andra material. Till exempel, om det fungerar med zirkonium - metallen som nu används som beklädnad för bränslestavar i kärnreaktorer - kan det hjälpa till att förbättra värmeöverföringen. I en kärnreaktor, där denna process driver turbiner och producerar kraft, ett sådant framsteg kan öka reaktorernas totala effektivitet.

Förutom termisk hantering, dessa resultat kan hjälpa till att optimera vissa katalytiska processer, Säger Varanasi.

Suresh Garimella, en professor i maskinteknik vid Purdue University som inte var inblandad i denna forskning, säger att "metodens enkla och potentiellt kostnadseffektiva karaktär" för odling av kopparnanotrådar "gör fynden betydande, ”Med potentiella tillämpningar inklusive katalys och termisk hantering.

Brent Segal, chefstekniker på Lockheed Martin Nanosystems i Billerica, Massa., säger att detta är "betydande arbete med att kontrollera de elektriska egenskaperna och termiska egenskaperna" hos material, och möjligen deras optiska egenskaper också. Sådan kontroll, från mikroskopisk till nanoskopisk skala-tusenfaldig skillnad i storlek-"har inte setts tidigare" i en enda process, han säger.

När vi såg teamets beskrivning av denna nya teknik, Segal säger, ”Du tänker genast, "Jag vill prova 75 andra material" "för att se om de fungerar på ett liknande sätt. "Jag tror att 100 olika laboratorier runt om i landet kommer att prova allt de har på hyllan" med denna teknik, han lägger till.

Arbetet stöddes av MIT Deshpande Center, ett DARPA Young Faculty Award, MIT Energy Initiative, och en forskarstipendium från National Science Foundation.