Forskare fann att den termiska ledningsförmågan hos superatomkristaller är direkt relaterad till rotationsstörningen inom dessa strukturer. Resultaten publicerades i en artikel i Naturmaterial Denna vecka.

Carnegie Mellon Universitys docent i maskinteknik Jonathan A. Malen var en motsvarande författare till artikeln med titeln "Orientational order controls crystalline and amorphous thermal transport in superatomic crystals."

Superatomkristaller är periodiska - eller regelbundna - arrangemang av C ₆₀ fullerener och oorganiska molekylkluster av liknande storlek. Nanometerstorleken C ₆₀ s ser ut som fotbollar med C-atomer i hörnen på varje hexagon och femhörning.

"Det finns två nästan identiska formationer, en som har roterande (d.v.s. orienteringsstörning) C ₆₀ s och en som har fixat C ₆₀ s, ", sa Malen. "Vi upptäckte att formationen som innehöll roterande C60s har låg värmeledningsförmåga medan formationen med fast C ₆₀ s har hög värmeledningsförmåga."

Även om rotationsstörning är känd i bulk C ₆₀ , detta är första gången som processen har utnyttjats för att skapa mycket olika värmeledningsförmåga i strukturellt identiska material.

Föreställ dig en rad människor som passerar sandsäckar från ena änden till den andra. Föreställ dig nu en andra linje där varje person snurrar runt – en del medurs, några moturs, några snabbt, och några långsamma. Det skulle vara mycket svårt att flytta en sandsäck längs den linjen.

"Detta liknar det som händer med värmeledningsförmågan i superatomerna, " förklarade Malen. "Det är lättare att överföra värmeenergi längs ett fast mönster än ett oordnat."

Columbia Universitys biträdande professor i kemi Xavier Roy, den andra motsvarande författaren till studien, skapade superatomkristallerna i sitt laboratorium genom att syntetisera och sätta ihop byggstenarna till de hierarkiska överbyggnaderna.

"Superatomkristaller representerar en ny klass av material med potential för tillämpningar inom hållbar energigenerering, energilagring, och nanoelektronik, ", sa Roy. "För att vi har ett stort bibliotek av superatomer som kan självmontera, dessa material erbjuder ett modulärt tillvägagångssätt för att skapa komplexa men avstämbara atomärt exakta strukturer."

Forskarna tror att dessa fynd kommer att leda till ytterligare undersökningar av de unika elektroniska och magnetiska egenskaperna hos överbyggda material. En framtida ansökan kan inkludera ett nytt material som kan förändras från att vara en värmeledare till en värmeisolator, öppnar upp potentialen för nya typer av termiska switchar och transistorer.

"Om vi ​​aktivt kunde kontrollera rotationsstörning, vi skulle skapa ett nytt paradigm för termisk transport, sa Malen.

För mer information, läs artikeln:"Orienteringsordning kontrollerar kristallin och amorf termisk transport i superatomära kristaller, " Naturmaterial (2016).

Ytterligare Carnegie Mellon-utredare inkluderade postdoktor och alumn Wee-Liat Ong, Patrick S. M. Dougherty, Alan J.H. McGaughey, och C. Fred Higgs. Ong råds gemensamt av Malen och Roy som en del av ett MRSEC-anslag från National Science Foundation som leds av Columbia University. Andra Columbia University-forskare inkluderade E. O'Brien och D. Paley.