Baratunde Cola vill lägga sand i din dator. Inte strandsand, men nanopartiklar av kiseldioxid belagda med en polymer med hög dielektricitetskonstant för att på ett billigt sätt ge förbättrad kylning för allt mer energikrävande elektroniska enheter.

Kiseldioxiden gör inte själva kylningen. Istället, de unika ytegenskaperna hos det belagda materialet i nanoskala leder värmen med potentiellt högre effektivitet än befintliga kylflänsmaterial. Den teoretiska fysiken bakom fenomenet är komplicerad, involverar elektromagnetiska effekter i nanoskala som skapas på ytan av de små kiseldioxidpartiklarna som verkar tillsammans.

Summan av kardemumman kan vara en potentiellt ny klass av material med hög värmeledningsförmåga som är användbara för värmeavledning från kraftelektronik, Lysdioder och andra applikationer med höga värmeflöden.

"Vi har för första gången visat att du kan ta en packad nanopartikelbädd som vanligtvis skulle fungera som en isolator, och genom att få ljus att kopplas starkt in i materialet genom att konstruera ett medium med hög dielektrisk konstant som vatten eller etylenglykol vid ytorna, du kan förvandla nanopartikelbädden till en ledare, sa Cola, en docent vid Woodruff School of Mechanical Engineering vid Georgia Institute of Technology. "Med hjälp av den kollektiva elektromagnetiska effekten av nanopartiklarna, värmeledningsförmågan kan öka 20 gånger, så att den kan avleda värme."

Forskningen, som involverade både teori och experiment, rapporteras i julinumret av tidskriften Material horisonter , och uppmärksammades i 8 juli-numret av tidskriften Science. Arbetet stöddes av Air Force Research Laboratory och U.S. Air Force. Medförfattare inkluderar professor James Hammonds vid Howard University, och doktoranderna Eric Tervo från Georgia Tech och Olalekan Adewuyi från Howard University.

Under de senaste åren, teoretiska artiklar har förutspått förmågan hos ytfononpolaritoner att öka värmeledningen i nanomaterial gjorda av polära material som kiseldioxid. Polaritoner är kvantkvasipartiklar som produceras genom stark koppling av elektromagnetiska vågor med en elektrisk eller magnetisk dipolbärande excitation. I det specifika fallet med ytfononpolaritoner, de elektromagnetiska vågorna är kopplade till en viss frekvens och polarisering av vibrerande atomer i det material som kallas optiska fononer. När material reduceras till storlekar under 100 nanometer, materialets ytegenskaper dominerar över bulkegenskaper, låter värmefononer flöda från partikel till partikel i den tätt packade bädden med hjälp av de kopplade elektromagnetiska vågorna.

Även om forskare tidigare inte kunde mäta värmeflödet från ytfononpolaritoner på grund av experimentella svårigheter, de har observerat sin vågutbredning när ljus träffar ytan på ett nanostrukturmaterial, vilket tyder på en potentiell roll i värmeavledning. Förutom den första mätningen av värmeflöde, Cola och hans medarbetare fann också att effekten kan uppstå när termisk energi läggs till en packad bädd av nanopartiklar.

"Vad vi också visar för första gången är att när man har nanopartiklar av rätt typ i en packad säng, att du inte behöver lysa ljus på dem, " förklarade han. "Du kan bara värma upp nanopartiklarna och den termiska självemissionen aktiverar effekten. Du skapar ett elektriskt fält runt nanopartiklarna från denna värmestrålning."

Forskarna bestämde sig för att experimentera med dessa speciella egenskaper, först använda vatten för att belägga nanopartiklarna och förvandla nanopartikelbädden av kiseldioxid till en ledare. Men vattenbeläggningen var inte robust, så forskarna bytte till etylenglykol, en vätska som vanligtvis används i frostskyddsmedel för fordon. Den nya kombinationen ökade värmeöverföringen med en faktor 20 till ungefär en watt per meter-kelvin, som är högre än det värde som etylenglykol eller kiseldioxid nanopartiklar skulle kunna producera ensamma, och konkurrenskraftig med dyra polymerkompositer som används för värmeavledning.

"Du kan i princip ta en elektronisk enhet, packa dessa etylenglykol-belagda nanopartiklar i luftrummet, och det skulle vara användbart som ett värmeavledningsmaterial som samtidigt, leder inte elektricitet, ", sa Cola. "Materialet har potential att vara mycket billigt och lätt att arbeta med."

Kiseldioxid valdes eftersom dess kristallina gitter kan generera resonanta optiska fononer - nödvändiga för effekten - vid ungefär rumstemperatur. Andra material kan också användas, men nanopartiklarna av kiseldioxid ger en bra kompromiss mellan egenskaper och kostnader.

"Resonansfrekvensen, omvandlas till den termiska strålningstemperaturen för kiseldioxid, är runt 50 grader Celsius, " sa Cola. "Med detta material, vi kan aktivera den här effekten vid ett temperaturområde som en mikroelektronisk enhet sannolikt kommer att se."

Även om etylenglykol fungerar bra, det kommer så småningom att avdunsta. Av den anledningen, Cola planerar att identifiera polymera material som kan adsorberas till nanopartiklarna av kiseldioxid för att ge en mer stabil beläggning med en rimlig produktlivslängd.

Effekten beror på den kollektiva verkan av nanopartiklarna av kiseldioxid.

"Vi visar i princip en makroskopisk översättning av en nanoskalaeffekt, ", sa Cola. "Även om nanopartikelbädden är en bulkenhet, det är en bulkenhet som har mycket inre yta. Den inre ytan är porten genom vilken den interagerar med det elektromagnetiska fältet - ljuset och värmen."

Än så länge, effekten har visats i små mängder nanopartiklar av kiseldioxid. Ett annat steg skulle vara att skala upp studien för att visa att värme kan överföras längre sträckor i större volymer av materialet, sa Cola.

"Hastigheten med vilken den termiska energin går från ena sidan av partikeln till den andra sidan av partikeln är konstant genom hela nanopartikelbädden, så det borde inte spela någon roll hur tjock nanopartikelbädden är, " förklarade han. "När dessa partiklar är tillräckligt nära varandra, deras lägen är kopplade, som gör att energin kan transporteras."

Ytterligare tester skulle behövas för att säkerställa den långsiktiga effektiviteten och för att bekräfta att det inte finns någon påverkan på tillförlitligheten hos de elektroniska enheter som kyls med tekniken, sa Cola.