Några nanoskalajusteringar kan vara allt som krävs för att grafen-nanorörkorsningar ska utmärka sig vid överföring av värme, enligt forskare från Rice University.

Rice lab av teoretiska fysikern Boris Yakobson fann att att sätta en konliknande "skorsten" mellan grafen och nanorör allt eliminerar en barriär som blockerar värme från att fly.

Forskningen visas i American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry C .

Värme överförs genom fononer, kvasipartikelvågor som också överför ljud. Risteorin erbjuder en strategi för att kanalisera skadlig värme bort från nästa generations nano-elektronik.

Både grafen och kolnanorör består av sexatomringar, som skapar ett kycklingtrådsutseende, och båda utmärker sig med den snabba överföringen av el och fononer.

Men när en nanorör växer från grafen, atomer underlättar svängen genom att istället bilda heptagonala (sju-lediga) ringar. Forskare har fastställt att skogar av nanorör odlade av grafen är utmärkta för lagring av väte för energitillämpningar, men inom elektronik, heptagonerna sprider fononer och hindrar värmeutsläpp genom pelarna.

Risforskarna upptäckte genom datorsimuleringar att avlägsnande av atomer här och där från den tvådimensionella grafenbasen skulle tvinga en kon att bildas mellan grafen och nanoröret. De geometriska egenskaperna (aka topologi) för grafen-till-kon- och kon-till-nanorörövergångarna kräver samma totala antal heptagoner, men de är mer glest fördelade och lämnar en fri bana av sexhörningar tillgängliga för värme för att springa upp i skorstenen.

"Vårt intresse för att utveckla nya applikationer för lågdimensionellt kol-fullerener, nanorör och grafen - är bred, "Sa Yakobson." Ett sätt är att använda dem som byggstenar för att fylla tredimensionella utrymmen med olika mönster, skapa anisotrop, oenhetliga ställningar med egenskaper som inget av de nuvarande bulkmaterialen har. I detta fall, vi studerade en kombination av nanorör och grafen, anslutna med kottar, motiverad av att se sådana former erhållna i våra kollegors experimentella laboratorier. "

Forskarna testade fononkonduktion genom simuleringar av fristående nanorör, pelare grafen och nano-skorstenar med en konradie av antingen 20 eller 40 ångström. Den pelare grafen var 20 procent mindre ledande än vanliga nanorör. Nano-skorstenarna med 20 ångström var lika ledande som vanliga nanorör, medan 40-ångströmskottar var 20 procent bättre än nanorören.

"Stämningen av sådana strukturer är praktiskt taget obegränsad, härstammar från de stora kombinatoriska möjligheterna att arrangera elementära moduler, sa Alex Kutana, en risforskare och medförfattare till studien. "Den verkliga utmaningen är att hitta de mest användbara strukturerna med ett stort antal möjligheter och sedan göra dem i labbet pålitligt.

"I det aktuella fallet finjusteringsparametrarna kan vara konformar och radier, avstånd mellan nanorör, längder och diametrar. Intressant, nano-skorstenarna fungerar också som termiska dioder, med värme som flödar snabbare i en riktning än den andra, " han sa.

Ris doktorand Ziang Zhang är huvudförfattare till tidningen. Ajit Roy, en huvudmaterialforskningsingenjör vid Air Force Research Laboratory i Dayton, Ohio, är medförfattare. Yakobson är Karl F. Hasselmann professor i materialvetenskap och nanoteknik och professor i kemi.

Air Force Office of Scientific Research och dess multidisciplinära universitetets forskningsinitiativ stödde forskningen. Beräkningar utfördes på Rice's National Science Foundation-stödda DAVinCI-superdator administrerad av Center for Research Computing, upphandlas i samarbete med Ken Kennedy Institute for Information Technology.