Wissenschaftler stellen seltsames Material her, das Hitze sowohl bewegen als auch blockieren kann

Zufällige Verdrehungen zwischen Schichten von kristallinen Platten blockieren die Wärme, die durch die Schichten strömt, behalten jedoch immer noch einen guten Wärmefluss entlang der Platten bei. Forscher messen einen erstaunlichen Faktor von 900 in der Differenz des Wärmeflusses. Bildnachweis: Neuroncollective.com (Daniel Spacek, Pavel Jirak) / Chalmers University

Ungewöhnliches Material könnte die Zuverlässigkeit von Elektronik und anderen Geräten verbessern.

Wärme dorthin zu transportieren, wo sie hin soll – sie zu Häusern und Haartrocknern hinzuzufügen, sie aus Automotoren und Kühlschränken zu entfernen – ist eine der großen Herausforderungen der Technik.

Jede Aktivität erzeugt Wärme, weil bei allem, was wir tun, Energie entweicht. Aber zu viel kann Batterien und elektronische Komponenten verschleißen – wie Teile in einem alternden Laptop, der zu heiß wird, um tatsächlich auf Ihrem Schoß zu sitzen. Wenn Sie die Hitze nicht loswerden können, haben Sie ein Problem.

Wissenschaftler an der Universität von Chicago haben eine neue Methode erfunden, um Wärme auf mikroskopischer Ebene zu verteilen: einen Wärmeisolator, der mit einer innovativen Technik hergestellt wird. Sie stapeln ultradünne Schichten kristalliner Schichten übereinander, drehen jedoch jede Schicht leicht, wodurch ein Material mit Atomen entsteht, die in eine Richtung ausgerichtet sind, aber nicht in die andere.

„Stellen Sie sich einen halbfertigen Zauberwürfel vor, mit Schichten, die alle in zufällige Richtungen gedreht sind“, sagte Shi En Kim, ein Doktorand an der Pritzker School of Molecular Engineering und der Erstautor der lernen. „Das bedeutet, dass wir innerhalb jeder Schicht des Kristalls immer noch ein geordnetes Gitter von Atomen haben, aber wenn Sie sich zur benachbarten Schicht bewegen, haben Sie keine Ahnung, wo die nächsten Atome relativ zur vorherigen Schicht sein werden – die Atome sind“ völlig chaotisch in dieser Richtung.“

Das Ergebnis ist ein Material, das sowohl Wärme sehr gut speichern als auch bewegen kann, wenn auch in unterschiedliche Richtungen – eine ungewöhnliche Fähigkeit im Mikromaßstab, die sehr nützliche Anwendungen in der Elektronik und anderen Technologien haben könnte.

„Die Kombination aus hervorragender Wärmeleitfähigkeit in eine Richtung und hervorragender Isolierung in die andere Richtung gibt es in der Natur überhaupt nicht“, sagt Studienleiter Jiwoong Park, Professor für Chemie und Molekulartechnik an der University of Chicago. „Wir hoffen, dass dies eine völlig neue Richtung für die Herstellung neuartiger Materialien eröffnen könnte.“

“Einfach erstaunlich niedrig”

Wissenschaftler sind ständig auf der Suche nach Materialien mit ungewöhnlichen Eigenschaften, denn sie können ganz neue Möglichkeiten für Geräte wie Elektronik, Sensoren, Medizintechnik oder Solarzellen erschließen. Möglich wurden beispielsweise MRT-Geräte durch die Entdeckung eines seltsamen Materials, das Elektrizität perfekt leiten kann.

Parks Gruppe hatte Nachforschungen angestellt Möglichkeiten, extrem dünne Materialschichten herzustellen, die nur wenige Atome dick sind. Normalerweise bestehen die für Geräte verwendeten Materialien aus extrem regelmäßigen, sich wiederholenden Atomgittern, wodurch sich Elektrizität (und Wärme) sehr leicht durch das Material bewegen können. Aber die Wissenschaftler fragten sich, was passieren würde, wenn sie stattdessen jede aufeinanderfolgende Schicht beim Stapeln leicht drehen würden.

„Wenn Sie daran denken, was die Fensterscheibe für uns getan hat – die Möglichkeit, die Außen- und Innentemperatur getrennt zu halten –, können Sie sich ein Bild davon machen, wie nützlich dies sein könnte.“

Prof. Jiwoong Park

Sie maßen die Ergebnisse und stellten fest, dass eine mikroskopisch kleine Wand aus diesem Material extrem gut darin war, die Wärmebewegung zwischen den Kammern zu verhindern. „Die Wärmeleitfähigkeit ist einfach erstaunlich niedrig – so niedrig wie die von Luft, die immer noch einer der besten Isolatoren ist, die wir kennen“, sagte Park. „Das ist an sich schon überraschend, denn es ist sehr ungewöhnlich, diese Eigenschaft in einem Material zu finden, das ein dichter Feststoff ist – diese neigen dazu, gute Wärmeleiter zu sein.“

Aber der Punkt, der für die Wissenschaftler wirklich spannend war, war, als sie die Fähigkeit des Materials zum Wärmetransport gemessen haben eine lange die Wand und stellte fest, dass dies sehr leicht möglich war.

Diese beiden Eigenschaften in Kombination könnten sehr nützlich sein. Wenn beispielsweise Computerchips immer kleiner werden, fließt immer mehr Leistung auf kleinem Raum, wodurch eine Umgebung mit einer hohen „Leistungsdichte“ entsteht – ein gefährlicher Hotspot, sagte Kim.

„Im Grunde backen Sie Ihre elektronischen Geräte auf Leistungsstufen, als ob Sie sie in einen Mikrowellenherd stecken würden“, sagte sie. „Eine der größten Herausforderungen in der Elektronik besteht darin, Wärme in dieser Größenordnung zu bewältigen, da einige Komponenten der Elektronik bei hohen Temperaturen sehr instabil sind.

„Aber wenn wir ein Material verwenden können, das gleichzeitig Wärme in verschiedene Richtungen leiten und isolieren kann, können wir Wärme von der Wärmequelle – wie der Batterie – absaugen und gleichzeitig die empfindlicheren Teile des Geräts vermeiden.“

Diese Fähigkeit könnte Türen öffnen, um mit Materialien zu experimentieren, die für Ingenieure zu hitzeempfindlich waren, um sie in der Elektronik zu verwenden. Darüber hinaus ist es schwierig, einen extremen Temperaturgradienten zu erzeugen, bei dem etwas auf der einen Seite sehr heiß und auf der anderen kühl ist, insbesondere bei so kleinen Maßstäben, könnte aber viele Anwendungen in der Technologie haben.

„Wenn Sie daran denken, was die Fensterscheibe für uns getan hat – die Möglichkeit, die Außen- und Innentemperatur getrennt zu halten –, können Sie ein Gefühl dafür bekommen, wie nützlich dies sein könnte“, sagte Park.

Die Wissenschaftler testeten ihre Schichttechnik nur in einem Material namens Molybdändisulfid, denken jedoch, dass dieser Mechanismus für viele andere allgemein gelten sollte. „Ich hoffe, dies eröffnet eine ganz neue Richtung für die Herstellung exotischer Wärmeleiter“, sagte Kim.

Referenz: „Extrem anisotrope van der Waals Wärmeleiter“ von Shi En Kim, Fauzia Mujid, Akash Rai, Fredrik Eriksson, Joonki Suh, Preeti Poddar, Ariana Ray, Chibeom Park, Erik Fransson, Yu Zhong, David A. Muller, Paul Erhart , David G. Cahill und Jiwoong Park, 29. September 2021, Natur.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03867-8

Die Forschung nutzte das Materials Research Science and Engineering Center der University of Chicago und die Pritzker Nanofabrication Facility.

Andere Koautoren waren die graduierten Studenten von UChicago, Fauzia Mujid und Preeti Poddar; Postdoktoranden Chibeom Park (jetzt am Samsung Electronics Semiconductor Research Center), Joonki Suh (jetzt am UNIST) und Yu Zhong; sowie David Cahill und Akash Rai von der University of Illinois at Urbana-Champaign, Paul Erhart, Fredrik Eriksson und Erik Fransson mit dem Technische Universität Chalmers in Schweden sowie David Muller und Ariana Ray von der Cornell University.

Finanzierung: US Air Force Office of Scientific Research, National Science Foundation, Samsung Advanced Institute of Technology, Camille and Henry Dreyfus Foundation.


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

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