(Phys.org)—Ett team av tvärvetenskapliga forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute har utvecklat en ny metod för att avsevärt öka värmeöverföringshastigheten över två olika material. Resultat av teamets studie, publiceras i tidskriften Naturmaterial , skulle kunna möjliggöra nya framsteg inom kylning av datorchips och lysdioder (LED)-enheter, samlar solenergi, skörda spillvärme, och andra applikationer.

Genom att lägga ett lager av ultratunt "nanoglue" mellan koppar och kiseldioxid, forskargruppen visade en fyrfaldig ökning av värmeledningsförmågan vid gränssnittet mellan de två materialen. Mindre än en nanometer – eller en miljarddels meter – tjock, nanoglue är ett lager av molekyler som bildar starka länkar med koppar (en metall) och kiseldioxid (en keramik), som annars inte skulle hålla ihop bra. Denna typ av nanomolekylär låsning förbättrar vidhäftningen, och hjälper också till att synkronisera vibrationerna från atomerna som utgör de två materialen som, i tur och ordning, underlättar effektivare transport av värmepartiklar som kallas fononer. Förutom koppar och kiseldioxid, forskargruppen har visat att deras tillvägagångssätt fungerar med andra metall-keramiska gränssnitt.

Värmeöverföring är en kritisk aspekt av många olika tekniker. När datorchips blir mindre och mer komplexa, Tillverkare letar ständigt efter nya och bättre sätt att ta bort överskottsvärme från halvledarenheter för att öka tillförlitligheten och prestanda. Med solceller, till exempel, bättre värmeöverföring leder till effektivare omvandling av solljus till elektrisk kraft. LED-tillverkare letar också efter sätt att öka effektiviteten genom att minska andelen ingående effekt som går förlorad som värme. Ganapati Ramanath, professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid Rensselaer, som ledde den nya studien, sade att förmågan att förbättra och optimera gränssnittets värmeledningsförmåga borde leda till nya innovationer i dessa och andra applikationer.

"Gränssnitt mellan olika material är ofta värmeflödesflaskhalsar på grund av kvävd fonontransport. Att infoga ett tredje material gör vanligtvis bara saken värre på grund av ett extra gränssnitt skapat, " sa Ramanath. "Men, vår metod för att introducera ett ultratunt nanolager av organiska molekyler som starkt binder till båda materialen vid gränssnittet ger upphov till flerfaldiga ökningar i gränssnittets värmeledningsförmåga, i motsats till dålig värmeledning som ses vid oorganisk-organiska gränssnitt. Denna metod för att ställa in värmeledningsförmågan genom att kontrollera vidhäftningen med hjälp av ett organiskt nanolager fungerar för flera materialsystem, och erbjuder ett nytt sätt för manipulation på atomär och molekylär nivå av flera egenskaper vid olika typer av materialgränssnitt. Också, det är häftigt att kunna göra detta ganska diskret med den enkla metoden för självmontering av ett enda lager av molekyler."

Resultaten av den nya studien, med titeln "Bindningsinducerad termisk konduktansförbättring vid oorganiska heterogränssnitt med användning av nanomolekylära monolager, " publicerades nyligen online av Naturmaterial , och kommer att visas i en kommande tryckt upplaga av tidskriften.

Forskargruppen använde en kombination av experiment och teori för att validera sina resultat.

"Vår studie fastställer korrelationen mellan gränsytbindningsstyrka och värmeledningsförmåga, som tjänar till att underbygga nya teoretiska beskrivningar och öppna upp nya sätt att kontrollera gränsytans värmeöverföring, " sa medförfattaren Pawel Keblinski, professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid Rensselaer.

"Det är verkligen anmärkningsvärt att ett enda molekylärt lager kan åstadkomma en så stor förbättring av de termiska egenskaperna hos gränssnitt genom att bilda starka gränsytebindningar. Detta skulle vara användbart för att kontrollera värmetransport för många applikationer inom elektronik, belysning, och energiproduktion, " sa medförfattaren Masashi Yamaguchi, docent vid institutionen för fysik, Tillämpad fysik, och astronomi vid Rensselaer.

"The overarching goal of Professor Ramanath's NSF-sponsored research is to elucidate, using first-principles-based models, the effects of molecular chemistry, chemical environment, interface topography, and thermo-mechanical cycling on the thermal conductance of metal-ceramic interfaces modified with molecular nanolayers, " said Clark V. Cooper, senior advisor for science at the NSF Directorate for Mathematical and Physical Sciences, who formerly held the post of program director for Materials and Surface Engineering. "Consistent with NSF's mission, the focus of his research is to advance fundamental science, but the potential societal benefits of the research are enormous."

"This is a fascinating example of the interplay between the physical, kemisk, and mechanical properties working in unison at the nanoscale to determine the heat transport characteristics at dissimilar metal-ceramic interfaces, " said Anupama B. Kaul, a program director for the Division of Electrical, kommunikation, and Cyber Systems at the NSF Directorate for Engineering. "The fact that the organic nanomolecular layer is just a monolayer in thickness and yet has such an important influence on the thermal characteristics is truly remarkable. Dr. Ramanath's results should be particularly valuable in nanoelectronics where heat management due to shrinking device dimensions continues to be an area of active research."