Den överraskande upptäckten av ett nytt sätt att ställa in och förbättra värmeledningsförmågan – en grundläggande egenskap som allmänt anses vara fixerad för ett givet material – ger ingenjörer ett nytt verktyg för att hantera värmeeffekter i smarta telefoner och datorer, lasrar och ett antal andra drivna enheter.

Fyndet gjordes av en grupp ingenjörer under ledning av Deyu Li, docent i maskinteknik vid Vanderbilt University, och publiceras online i tidningen Naturens nanoteknik den 11 dec.

Li och hans medarbetare upptäckte att värmeledningsförmågan hos ett par tunna materialremsor som kallas bornannorband kan förbättras med upp till 45 procent beroende på processen som de använde för att fästa ihop de två banden. Även om forskningen utfördes med bor nanorband, resultaten är generellt tillämpliga på andra tunnfilmsmaterial.

Ett helt nytt sätt att styra termiska effekter "Detta pekar på ett helt nytt sätt att styra termiska effekter som sannolikt kommer att ha en betydande inverkan inom mikroelektronik på design av smarta telefoner och datorer, inom optoelektronik på design av lasrar och lysdioder, och i ett antal andra fält, "sa Greg Walker, docent i maskinteknik vid Vanderbilt och en expert på termisk transport som inte var direkt involverad i forskningen.

Enligt Li, kraften som håller ihop de två nanobanden är en svag elektrostatisk attraktion som kallas van der Waals-kraften. (Detta är samma kraft som gör att gecko kan gå uppför väggar.)

"Traditionellt, det är allmänt troligt att fononerna som bär värme är spridda vid van der Waals gränssnitt, vilket gör att bandbuntarnas värmeledningsförmåga är densamma som för varje band. Det vi upptäckte står i skarp kontrast till denna klassiska syn. Vi visar att fononer kan korsa dessa gränssnitt utan att bli spridda, vilket avsevärt förbättrar värmeledningsförmågan, "sade Li. Dessutom, forskarna fann att de kunde kontrollera värmeledningsförmågan mellan ett högt och ett lågt värde genom att behandla gränssnittet mellan nanorbandsparen med olika lösningar.

Förbättringen är helt reversibel

En av de anmärkningsvärda aspekterna av effekten Li upptäckte är att den är reversibel. Till exempel, när forskarna fuktade gränsytan mellan ett par nanoband med isopropylalkohol, tryckte ihop dem och låt dem torka, den termiska konduktiviteten var densamma som för ett enda nanorband. Dock, när de fuktade dem med ren alkohol och lät dem torka, värmeledningsförmågan förbättrades. Sedan, när de blötte dem med isopropylalkohol igen, den termiska konduktiviteten sjönk tillbaka till det ursprungliga låga värdet.

"Det är mycket svårt att justera en grundläggande materialegenskap som värmeledningsförmåga och den påvisade avstämbara värmeledningsförmågan gör forskningen särskilt intressant, "Sa Walker.

Ett av de första områdena där denna nya kunskap sannolikt kommer att tillämpas är inom termisk hantering av mikroelektroniska enheter som datorchips. I dag, miljarder till biljoner transistorer har fastnat i chips på storleken på en nagel. Dessa marker genererar så mycket värme att en av de viktigaste faktorerna i deras design är att förhindra överhettning. Faktiskt, värmehantering är en av huvudorsakerna bakom dagens flerkärniga processordesigner.

"En bättre förståelse för termisk transport över gränssnitt är nyckeln till att uppnå bättre termisk hantering av mikroelektroniska enheter, " sa Li.

Discovery kan förbättra designen av nanokompositer

Ett annat område där upptäckten kommer att vara viktig är i utformningen av "nanokompositer" – material gjorda genom att bädda in nanostrukturtillsatser som kolnanorör i ett värdmaterial som olika polymerer – som utvecklas för användning i flexibla elektroniska enheter, konstruktionsmaterial för flyg- och rymdfarkoster och en mängd andra tillämpningar.