När ingenjörer designar enheter, de måste ofta sammanfoga två material som expanderar och drar ihop sig i olika takt när temperaturen förändras. Sådana termiska skillnader kan orsaka problem om, till exempel, ett halvledarchip är anslutet till ett uttag som inte kan expandera och dra ihop sig tillräckligt snabbt för att bibehålla en obruten kontakt över tiden.

Potentialen för misslyckanden vid sådana kritiska tillfällen har intensifierats i takt med att enheter har krympt till nanoskalan, med subtila krafter som drar i atomer och molekyler, orsakar påfrestningar som är svåra att observera, mycket mindre undvika.

Skriver i Nationella akademins handlingar ( PNAS ), Stanfords ingenjörer rapporterar om hur man skapar kolnanorörsstrukturer som förblir starka och smidiga vid dessa kritiska gränssnitt där termisk stress är inneboende i designen.

"Tänk på kylflänsen för en mikroprocessor, sa senior PNAS författaren Kenneth Goodson, Professor och Bosch ordförande för maskinteknik vid Stanford. "Den utsätts för höga värmeflöden under långa perioder, och upprepade fall av uppvärmning och kylning."

För närvarande har material som lod och geler använts vid sådana förbindelser. Men när elektroniken fortsätter att krympa, mer elektrisk kraft pressas genom mindre kretsar, sätta material under ständigt ökande termisk stress.

"Lod har hög värmeledningsförmåga, men den är hård, "Goodson sa, förklara varför hans labb fortsätter att experimentera med enkelväggiga kolnanorör. Precis innan detta PNAS bidrag, hans team beskrev de gynnsamma termiska egenskaperna hos nanorör i en artikel för Recensioner av modern fysik (Vol. 85, sid. 1296-1327).

Nanorör är oändligt mycket tunna strängar av kolatomer som har potential att vara effektiva på att leda värme. De är också starka för sin storlek, och kan vara flexibla beroende på hur de tillverkas.

Stanford PNAS papper baserades på experiment och simuleringar utformade för att avslöja hur man skapar kolnanorörsstrukturer (CNT) med den optimala blandningen av alla tre egenskaperna – styrka, flexibilitet, och värmeledningsförmåga – som krävs i kritiska tillfällen där termisk stress är ett faktum.

Stanford-artikeln representerar ungefär fem år av lagarbete centrerat på Stanford Mechanical Engineering Department inklusive experiment ledda av första författaren Yoonjin Won, som då var doktorand i maskinteknik.

Hon använde en mängd olika befintliga tekniker för att montera CNT med olika strukturella egenskaper, och mätte sedan flexibiliteten (även kallad modul) och värmeledningsförmågan för varje struktur för att leta efter den optimala strukturen.

Lämnad åt naturen, kolatomerna som bildar CNT kommer att skapa strukturer som – om vi kunde se dem – liknar en skål med spagetti.

Men Won arbetade med medarbetare vid University of Tokyo för att skapa CNT:er som växte upp relativt raka, som gräs. En viss grad av intrassling förekom fortfarande. Exakt kontroll av CNT-tillväxt förblir utom räckhåll för vetenskapen.

Ändå, Wons experiment visade att längre CNT, växt mindre tätt tillsammans, verkade ha den bästa kombinationen av flexibilitet, värmeledningsförmåga och styrka, för användning i elektronik och andra industriella tillämpningar där termisk stress förväntas.

Till viss del representerar hennes fynd en avvägning. Tätare, kortare CNT-strukturer är starkare och mer effektiva för att avleda värme. Men de är också mer trassliga och stelare. Wons experimentella resultat visade att när CNT-strängar blev längre, de tenderade att bli rakare och var mindre trassliga, vilket ökade strukturens flexibilitet, om än med några acceptabla förluster i de andra två parametrarna.

Eftersom det slutliga målet med detta arbete är att avslöja hur man kan optimera CNT-strukturer för användning som värmeöverföringsmaterial, Stanford-teamet byggde en datorsimulering av CNT-monteringsprocessen med ett öga mot att förstå hur CNT:erna blev böjda och intrasslade trots ansträngningar för att få dem raka.

Arbetet med simuleringen leddes av Wei Cai, en docent i maskinteknik vid Stanford, som innehar ett artighetsutnämning inom materialvetenskap och teknik. Stanford-forskarna ville förstå hur van der Waals krafter påverkar tillväxten av CNT.

Dessa krafter är uppkallade efter den holländska fysikern som först beskrev de svaga attraktionerna som finns mellan molekyler – attraktioner som inte kunde förklaras av andra kända krafter som de kemiska bindningarna som uppstår när atomer delar elektroner.

Cai sa att medan van der Waals krafter kanske inte är kritiska i andra typer av strukturer, Kolnanorör är så tunna - bara en atom eller så tjock i diameter - att dessa små krafter i grunden kan påverka dem.

Det var faktiskt vad simuleringen visade. Föreställ dig en CNT som försöker växa rakt, bara för att böjas åt sidan av van der Waal-attraktionen på en annan CNT-korsning nära dess topp, och kanske böjd till andra sidan av en annan CNT som närmar sig botten.

Tagen tillsammans, de experimentella resultaten och datorsimuleringen förstärker resultaten att längre, mindre intrasslade CNT:er skulle erbjuda den bästa blandningen av den önskade egenskapens styrka, flexibilitet och värmeöverföring. Men på grund av van der Waals-krafterna som verkar på dessa atomtjocka kolrör, ingenjörer kommer att behöva acceptera vissa böjningar och oregelbundenheter när de strävar efter att skapa fungerande, men mindre än idealiskt, strukturer för att avleda värme.

"När du hör om nanoteknik handlar det vanligtvis om superlativen, det starkaste detta, den smalaste, ", sa Goodson. "Men vi tror att svaren kommer att ligga i att hitta de rätta kombinationerna av egenskaper, något som är starkt och leder värme som en metall, men kan böja och böja också."