En ny studie har funnit att "vågighet" i skogar av vertikalt riktade kolnanorör dramatiskt minskar deras styvhet, svara på en långvarig fråga kring de små strukturerna.

Istället för att vara till nackdel, vågigheten kan göra nanorörsarrayerna mer kompatibla och därför användbara som termiskt gränssnittsmaterial för att leda värme bort från framtida högeffekts integrerade kretsar.

Mätningar av nanorörets styvhet, som påverkas av en egenskap som kallas modul, hade föreslagit att skogar av vertikalt riktade nanorör skulle ha en mycket högre styvhet än vad forskarna faktiskt mätte. Den minskade effektiva modulen hade skyllts på ojämn tillväxttäthet, och på buckling av nanorören under kompression.

Dock, baserat på experiment, svepelektronmikroskop (SEM) avbildning och matematisk modellering, den nya studien fann att böjda sektioner av nanorör kan vara den primära mekanismen som minskar modulen.

"Vi tror att mekanismen som gör dessa nanorör mer kompatibla är en liten kinkiness i deras struktur, " sa Suresh Sitaraman, professor vid Woodruff School of Mechanical Engineering vid Georgia Institute of Technology. "Även om de verkar vara helt raka, under hög förstoring hittade vi vågighet i kolnanorören som vi tror står för skillnaden i vad som mäts jämfört med vad som skulle förväntas."

Forskningen, som fick stöd av Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), publicerades online den 31 augusti, 2013, i journalen Kol . Den kommer senare i tidskriftens tryckta upplaga.

Kolnanorör ger många attraktiva egenskaper, inklusive hög elektrisk och termisk ledningsförmåga, och hög styrka. Enskilda kolnanorör har en modul som sträcker sig från 100 gigapascal till 1,5 terapascal. Matriser av vertikalt inriktade kolnanorör med låg densitet skulle förväntas ha en effektiv modul på minst fem till 150 gigapascal, Sitaraman sa, men forskare har vanligtvis mätt värden som är fyra ordningsgrader eller magnitud mindre – mellan en och 10 megapascal.

För att förstå vad som kan orsaka denna variation, Sitaraman och Ph.D. Studenterna Nicholas Ginga och Wei Chen studerade skogar av kolnanorör odlade på toppen av ett kiselsubstrat, täckte sedan spetsarna på strukturerna med ytterligare ett lager kisel. De använde sedan känslig testapparat – en nanoindenter – för att komprimera prover av nanorören och mäta deras styvhet. Växelvis, de placerade också prover av kisel-nanorörsmörgåsarna under dragpåkänning – och drog isär dem istället för att komprimera dem.

Vad de fann var att den effektiva modulen förblev låg – så mycket som 10, 000 gånger mindre än förväntat – oavsett om nanorörsmackorna komprimerades eller drogs isär. Det tyder på tillväxtproblem, eller buckling, kunde inte helt redogöra för de observerade skillnaderna.

För att leta efter potentiella förklaringar, forskarna undersökte kolnanorören med hjälp av svepelektronmikroskop som finns i Georgia Techs Institute for Electronics and Nanotechnology-anläggningar. Vid förstoring av 10, 000 gånger, de såg vågigheten i delar av nanorören.

"Vi hittade mycket små veck i kolnanorören, sade Sitaraman. Även om de verkade vara helt raka, det var vågighet i dem. Ju mer vågig vi såg, desto lägre var deras styvhet."

De noterade också att under kompression, nanorören kommer i kontakt med varandra, påverka nanorörsbeteende. Dessa observationer modellerades matematiskt för att hjälpa till att förklara vad som sågs under de olika tillstånden som studerades.

"Vi tog hänsyn till kontakten mellan kolnanorören, ", sa Chen. "Detta gjorde det möjligt för oss att undersöka de extrema förhållanden under vilka deformationen av nanorör begränsas av närvaron av närliggande nanorör i skogen."

Även om förlusten av modul kan verka som ett problem, det kan faktiskt vara till hjälp i värmehanteringsapplikationer, sa Sitaraman. Nanorörens överensstämmelse gör att de kan ansluta till en integrerad krets av kisel på ena sidan, och bindas till en kopparvärmespridare på andra sidan. Nanorörens flexibilitet gör att de kan röra sig när de övre och nedre strukturerna expanderar och drar ihop sig i olika takt på grund av temperaturförändringar.

"Det fina med kolnanorören är att de fungerar som fjädrar mellan kiselchipset och kopparvärmespridaren, " sade Sitaraman. "De kan leda mycket värme på grund av goda termiska egenskaper, och på samma gång, de är smidiga och följsamma."

Kolnanorör har utomordentligt hög värmeledningsförmåga, så mycket som tio gånger så mycket som koppar, vilket gör dem idealiska för att dra bort värme från chipsen.

"Efterfrågan på värmeborttagning från flis fortsätter att öka, ", sa Ginga. "Industrien har letat efter nya material och nya tekniker att lägga till sin verktygslåda för värmeöverföring. Olika tillvägagångssätt kommer att behövas för olika enheter, och detta ger branschen ett nytt sätt att möta utmaningen."