(Phys.org) - Ett team av forskare från University of Maryland har upptäckt att när elektrisk ström går genom kolnanorör, föremål i närheten värms upp medan själva nanorören förblir svala, som en brödrost som bränner bröd utan att bli varm. Att förstå detta helt oväntade nya fenomen kan leda till nya sätt att bygga datorprocessorer som kan köras i högre hastigheter utan att överhettas.

"Detta är ett nytt fenomen som vi observerar, uteslutande på nanoskala, och det strider helt mot vår intuition och kunskap om Joule-uppvärmning i större skalor, till exempel, i saker som din brödrost, " säger första författaren Kamal Baloch, som genomförde forskningen medan han var doktorand vid University of Maryland. "Nanorörets elektroner studsar bort från något, men inte dess atomer. På något sätt, atomerna i de närliggande materialen - kiselnitridsubstratet - vibrerar och blir varma istället."

"Effekten är lite konstig, " medger John Cumings, en biträdande professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik som övervakade forskningsprojektet. Han och Baloch har kallat fenomenet "fjärruppvärmning av Joule".

En overklig upptäckt

För UMD-forskarna, upplevelsen av upptäckten var som vad du eller jag kan ha känt, om, på en till synes vanlig morgon, vi började laga frukost, bara för att hitta vissa saker som händer som verkar bryta mot den normala verkligheten. Rostat bröd är bränt, men brödrosten är kall. Strömbrytaren på spisen är inställd på "HI" och tekannan visslar, men brännaren är inte varm.

Självklart, Baloch, Cumings och deras kollega lagade inte frukost i ett kök, men kör experiment i en elektronmikroskopianläggning vid A. James Clark School of Engineering vid University of Maryland. De körde sina experiment om och om igen, och resultatet var alltid detsamma:när de ledde en elektrisk ström genom ett kolnanorör, substratet under det blev tillräckligt varmt för att smälta metallnanopartiklar på dess yta, men själva nanoröret verkade hålla sig svalt, och det gjorde även metallkontakterna som är fästa på den.

För oss icke-vetenskapsmän, deras upplevelse kanske inte verkar så konstigt vid första anblicken - trots allt, mat som tillagas i en mikrovågsugn blir varm medan själva ugnen håller sig nära rumstemperatur. Problemet är att Baloch och Cumings inte avsiktligt genererade ett mikrovågsfält. De ledde bara en elektrisk likström genom nanoröret, vilket borde ha fått den att värmas upp. Uppgifterna berättade för dem en historia som inte verkade vara meningsfull - en om en inkopplad brödrost som kunde bränna bröd utan att bli varm.

Ett fenomen känt som "Joule-uppvärmning" dikterar att en elektrisk ström kommer att få vandringselektroner att studsa bort från atomerna i en metalltråd, får dem att vibrera på plats. Dessa vibrationer skapar värme, och varje ledande tråd ska visa effekten, inklusive värmeelementen i brödrostar, hårtorkar, och elektriska spishällar. Kolnanorör är kända för att leda elektricitet som metalltrådar i nanoskala, så Baloch och Cumings förväntade sig att se samma effekt när de passerade ström genom ett kolnanorör.

De använde en teknik som utvecklats i Cumings labb som kallas elektrontermisk mikroskopi, som kartlägger var värme alstras i elektriska apparater i nanoskala, att observera effekten av strömmen på ett nanorör. De förväntade sig att se värme färdas längs nanorörets längd till metallkontakter fästa vid det. Istället, värmen verkade hoppa direkt till kiselnitridsubstratet under, värma upp det samtidigt som du lämnar nanoröret relativt kallt.

Men hur är det ens möjligt för nanorörets elektroner att vibrera substratets atomer om de är åtskilda av avstånd, även en som mäter i nanometer? Baloch och Cumings spekulerar att en "tredje part" är inblandad:elektriska fält.

"Vi tror att nanorörets elektroner skapar elektriska fält på grund av strömmen, och substratets atomer reagerar direkt på dessa fält, " Cumings förklarar. "Överföringen av energi sker genom dessa mellanhänder, och inte för att nanorörets elektroner studsar bort från substratets atomer. Även om det finns en liknelse med en mikrovågsugn, Fysiken bakom de två fenomenen är faktiskt väldigt olika."

Baloch tillägger att fjärrvärmeeffekten Joule kan få långtgående konsekvenser för datorteknik. "Det som för närvarande begränsar prestandan hos en dators processor är hastigheten med vilken den kan köras, och det som begränsar hastigheten är det faktum att det blir för varmt, " förklarar han. "Om du kunde hitta något sätt att bli av med spillvärmen mer effektivt, då kan det gå snabbare. En transistor som inte avleder energi inom sig själv som värme, som nanorören i vårt experiment, kan vara en gamechanger. Denna nya mekanism för termisk transport skulle tillåta dig att konstruera din värmeledare och din elektriska ledare separat, att välja de bästa egenskaperna för var och en utan att kräva att de två är samma material som upptar samma område i rymden."

För tillfället, en luft av mystik omger fortfarande fenomenet, som endast har observerats på nanoskala, och endast i kolmaterial. Nästa steg är att avgöra om andra material kan ge effekten, och i så fall, vilka egenskaper de måste ha. "Vi vet nu att kiselnitrid kan absorbera energi från ett strömförande nanorör på detta sätt, men vi skulle vilja testa andra material, såsom halvledare och andra isolatorer, " Cumings förklarar.  "Om vi ​​verkligen kan förstå hur det här fenomenet fungerar, vi skulle kunna börja konstruera en ny generation av nanoelektronik med integrerad termisk hantering."

Denna upptäckt publicerades i onlinenumret för den 8 april av Naturens nanoteknik . Forskningen stöddes av ett anslag från U.S. Department of Energy Office of Basic Energy Sciences.