Att kombinera flera kolnanomaterial i ett enda ämne kan ge överraskande egenskaper. KAUST-forskare har skapat tunna grafitfilmer som kan fungera som högpresterande flexibla värmepaneler, som når flera hundra grader inom några sekunder när en liten spänning appliceras. De visade också att nyckeln till materialets exceptionella värmeprestanda är grafendomäner i grafitfilmen.

Som enastående termiska ledare används grafitiska kolnanomaterial alltmer för värmehantering, till exempel för att avleda värme från mikrochips. Samma material kan också användas som elvärmare.

"Det finns ett behov av att utveckla flexibla värmepaneler med låg effekt, och nanokol är nyckelutmanare", säger G. Deokar, postdoc vid Pedro Costas labb, som ledde arbetet. "Än så länge har deras elektrotermiska prestanda varit begränsade", tillägger hon. Nanokolbaserade värmare kräver vanligtvis en ingång på 20–60 volt för att nå en måltemperatur på 250 grader Celsius. De kan också brytas ned snabbt när de värms upp i luft.

Costa, Deokar och deras kollegor utvecklade nyligen en metod för att tillverka tjocka grafitfilmer i nanoskala (NGF) i wafer-skala. De kunde också enkelt överföra dem till godtyckliga substrat, utan resterna som ofta finns i grafenpaneler. "Dessa egenskaper hos NGF fick oss att undersöka deras tillämpning inom termisk hanteringsteknik", säger Deokar.

När teamet placerade NGF:er på flexibla Kapton-ark och applicerade guldelektroder, visade sig deras värmarprestanda vara mycket överlägsen tidigare rapporterade nanokolvärmare. Genom att applicera mindre än 8 volt nådde materialet en måltemperatur på 300 grader Celsius inom några sekunder. Kylningen var lika snabb. "Vi observerade också enastående stabilitet och visade att NGF kunde användas som ett externt återanvändbart plåster för att koka vatten," säger Deokar.

"Vi körde dem vid dubbelt så hög temperatur som andra nanokolväten (med ungefär hälften av energitillförseln) och den användbara uppvärmningsytan utökades också, vilket innebar att panelens effektivitet var betydligt bättre", tillägger Pedro.

Potentiella tillämpningar för materialet kan sträcka sig från miniatyrvärmare för sensorer eller mikroflödesanordningar till värmare i industriell skala, såsom luftavfuktare eller rumsvärmeregulatorer.

Teamets arbetsförståelse är att NGF:s utmärkta prestanda beror på närvaron av grafendomäner och rynkor i materialet, som fungerar som hotspots. "Dessa strukturella egenskaper är fördelade över hela NGF-ytan, vilket förklarar de höga temperaturerna och den jämna värmespridningen", säger Deokar.

Även om rynkor är vanliga i andra tjocka grafitfilmer i nanoskala, är grafendomänerna i våra NGF unika, tillägger Pedro. "Närvaron och funktionen av grafendomänerna är något som vi vill förstå bättre", säger han. + Utforska vidare

Grafitark för att hjälpa nästa generations smartphones att hålla sig svala