I ricercatori hanno trovato un modo inaspettato per controllare la conduttività termica dei materiali bidimensionali (2-D), che consentirà ai progettisti di elettronica di dissipare il calore nei dispositivi elettronici che utilizzano questi materiali.

I materiali 2-D hanno una struttura a strati, con ogni strato che ha forti legami orizzontalmente, o "in aereo, " e deboli legami tra gli strati, o "fuori dall'aereo". Questi materiali hanno proprietà elettroniche e chimiche uniche, e mantenere la promessa per l'uso nella creazione flessibile, magro, dispositivi elettronici leggeri.

Per molte di queste potenziali applicazioni, è importante essere in grado di dissipare il calore in modo efficiente. E questo può essere complicato. Nei materiali 2-D, il calore è condotto in modo diverso nel piano rispetto a quello fuori piano.

Per esempio, in una classe di materiali 2-D, chiamati TMD, il calore è condotto a 100 watt per metro per Kelvin (W/mK) in piano, ma a soli 2 W/mK fuori piano. Ciò gli conferisce un "rapporto di anisotropia termica" di circa 50.

Per comprendere meglio le proprietà di conduzione termica dei materiali 2-D, un team di ricercatori della North Carolina State University, l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign (UI) e il Toyota Research Institute of North America (TRINA) hanno iniziato a sperimentare il bisolfuro di molibdeno (MoS2), che è un TMD.

I ricercatori hanno scoperto che, introducendo disordine al MoS2, potrebbero alterare significativamente il rapporto di anisotropia termica.

I ricercatori hanno creato questo disturbo introducendo ioni di litio tra gli strati di MoS2. La presenza degli ioni di litio fa due cose contemporaneamente:mette gli strati del materiale 2-D fuori allineamento tra loro, e costringe il MoS2 a riorganizzare la struttura dei suoi atomi componenti.

Quando il rapporto tra ioni di litio e MoS2 ha raggiunto 0,34, la conduttività termica nel piano era di 45 W/mK, e la conduttività termica fuori piano è scesa a 0,4 W/mK, aumentando il rapporto di anisotropia termica del materiale da 50 a più di 100. In altre parole, il calore è diventato più del doppio delle probabilità di viaggiare in aereo, lungo lo strato, piuttosto che tra gli strati.

E questo era il massimo. L'aggiunta di meno ioni di litio ha ridotto il rapporto di anisotropia termica. L'aggiunta di più ioni lo ha anche ridotto. Ma in entrambi i casi, il rapporto è stato influenzato in modo prevedibile, il che significa che i ricercatori potrebbero mettere a punto la conduttività termica del materiale e il rapporto di anisotropia termica.

"Questa scoperta è stata molto controintuitiva, "dice Jun Liu, un assistente professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso la NC State e co-autore corrispondente di un articolo che descrive il lavoro. "La saggezza convenzionale è che l'introduzione di disordine in qualsiasi materiale ridurrebbe il rapporto di anisotropia termica.

"Ma in base alle nostre osservazioni, riteniamo che questo approccio al controllo della conduttività termica si applicherebbe non solo ad altri TMD, ma ai materiali 2-D più in generale, " dice Liù.

"Abbiamo deciso di far progredire la nostra comprensione fondamentale dei materiali 2-D, e noi abbiamo, " aggiunge Liu. "Ma abbiamo anche imparato qualcosa che potrebbe essere di utilità pratica per lo sviluppo di tecnologie che fanno uso di materiali 2-D".