Le simulazioni degli scienziati della Rice University mostrano che il posizionamento di coni tra grafene e nanotubi di carbonio potrebbe migliorare la dissipazione del calore dalla nanoelettronica. I nanocamini migliorano la conduzione dei fononi che trasportano calore distribuendo il numero di ettagoni richiesti dalla transizione da grafene a nanotubo. Credito:Alex Kutana/Rice University
Alcuni aggiustamenti su scala nanometrica potrebbero essere tutto ciò che è necessario per far sì che le giunzioni grafene-nanotubi eccellono nel trasferimento di calore, secondo gli scienziati della Rice University.
Il laboratorio Rice del fisico teorico Boris Yakobson ha scoperto che mettere un "camino" a forma di cono tra il grafene e il nanotubo elimina quasi completamente una barriera che impedisce al calore di fuoriuscire.
La ricerca appare nell'American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry C .
Il calore viene trasferito attraverso i fononi, onde quasiparticelle che trasmettono anche il suono. La teoria del riso offre una strategia per incanalare il calore dannoso lontano dalla nanoelettronica di prossima generazione.
Sia il grafene che i nanotubi di carbonio sono costituiti da anelli di sei atomi, che creano un aspetto di filo di pollo, ed entrambi eccellono nel trasferimento rapido di elettricità e fononi.
Ma quando un nanotubo cresce dal grafene, gli atomi facilitano la svolta formando invece anelli ettagonali (a sette membri). Gli scienziati hanno determinato che le foreste di nanotubi cresciuti dal grafene sono eccellenti per immagazzinare idrogeno per applicazioni energetiche, ma in elettronica gli ettagoni disperdono i fononi e impediscono la fuoriuscita del calore attraverso i pilastri.
I ricercatori della Rice hanno scoperto attraverso simulazioni al computer che la rimozione di atomi qua e là dalla base bidimensionale del grafene costringerebbe a formare un cono tra il grafene e il nanotubo. Le proprietà geometriche (ovvero la topologia) delle transizioni grafene-cono e cono-nanotubo richiedono lo stesso numero totale di ettagoni, ma sono più scarsamente distanziati e lasciano un chiaro percorso di esagoni disponibile per il calore per correre lungo il camino.
I nanocamini simulati creati dagli scienziati della Rice University potrebbero aiutare a mantenere fresca la nanoelettronica di prossima generazione migliorando la dissipazione del calore. Credito:Alex Kutana/Rice University
"Il nostro interesse nel promuovere nuove applicazioni per il carbonio a bassa dimensionalità:fullereni, nanotubi e grafene:è ampio, " ha detto Yakobson. "Un modo è usarli come elementi costitutivi per riempire spazi tridimensionali con disegni diversi, creando anisotropo, impalcature non uniformi con proprietà che nessuno degli attuali materiali sfusi ha. In questo caso, abbiamo studiato una combinazione di nanotubi e grafene, collegati da coni, motivati dal vedere tali forme ottenute nei laboratori sperimentali dei nostri colleghi".
I ricercatori hanno testato la conduzione fononica attraverso simulazioni di nanotubi indipendenti, grafene pillared e nanocamini con un raggio del cono di 20 o 40 angstrom. Il grafene pillared era il 20 percento meno conduttivo rispetto ai nanotubi semplici. I nanocamini da 20 angstrom erano conduttivi tanto quanto i semplici nanotubi, mentre i coni da 40 angstrom erano il 20% migliori dei nanotubi.
"La sintonizzabilità di tali strutture è virtualmente illimitata, derivanti dalle vaste possibilità combinatorie di disporre i moduli elementari, "ha detto Alex Kutana, uno scienziato ricercatore di riso e co-autore dello studio. "La vera sfida è trovare le strutture più utili date un vasto numero di possibilità e poi realizzarle in laboratorio in modo affidabile.
"Nel caso in esame, i parametri di messa a punto potrebbero essere forme coniche e raggi, spaziatura dei nanotubi, lunghezze e diametri. interessante, i nanocamini agiscono anche come diodi termici, con il calore che scorre più velocemente in una direzione rispetto all'altra, " Egli ha detto.
Lo studente laureato di Rice Ziang Zhang è l'autore principale del documento. Ajit Roy, un ingegnere di ricerca sui materiali principale presso l'Air Force Research Laboratory di Dayton, Ohio, è un coautore. Yakobson è il professore di scienza dei materiali e nanoingegneria Karl F. Hasselmann e professore di chimica.
L'Ufficio per la ricerca scientifica dell'aeronautica e la sua iniziativa di ricerca universitaria multidisciplinare hanno sostenuto la ricerca. I calcoli sono stati eseguiti sul supercomputer DAVinCI della Rice's National Science Foundation, gestito dal Center for Research Computing, acquistato in collaborazione con il Ken Kennedy Institute for Information Technology.
