Las simulaciones realizadas por científicos de la Universidad de Rice muestran que colocar conos entre el grafeno y los nanotubos de carbono podría mejorar la disipación de calor de la nanoelectrónica. Las nanochimeneas mejoran la conducción de fonones portadores de calor al distribuir el número de heptágonos requeridos por la transición de grafeno a nanotubos. Crédito:Alex Kutana / Rice University
Unos pocos ajustes a nanoescala pueden ser todo lo que se requiere para que las uniones grafeno-nanotubos sobresalgan en la transferencia de calor. según los científicos de la Universidad de Rice.
El laboratorio de Rice del físico teórico Boris Yakobson descubrió que colocar una "chimenea" en forma de cono entre el grafeno y el nanotubo prácticamente elimina una barrera que bloquea el escape del calor.
La investigación aparece en la revista American Chemical Society Revista de química física C .
El calor se transfiere a través de fonones, ondas de cuasipartículas que también transmiten sonido. La teoría de Rice ofrece una estrategia para alejar el calor dañino de la nanoelectrónica de próxima generación.
Tanto el grafeno como los nanotubos de carbono constan de anillos de seis átomos, que crean una apariencia de alambre de gallinero, y ambos sobresalen por la rápida transferencia de electricidad y fonones.
Pero cuando un nanotubo crece a partir del grafeno, los átomos facilitan el giro formando anillos heptagonales (de siete miembros). Los científicos han determinado que los bosques de nanotubos cultivados a partir de grafeno son excelentes para almacenar hidrógeno para aplicaciones energéticas. pero en electrónica, los heptágonos dispersan fonones e impiden el escape de calor a través de los pilares.
Los investigadores de Rice descubrieron a través de simulaciones por computadora que la eliminación de átomos aquí y allá de la base de grafeno bidimensional forzaría la formación de un cono entre el grafeno y el nanotubo. Las propiedades geométricas (también conocidas como topología) de las transiciones de grafeno a cono y de cono a nanotubos requieren el mismo número total de heptágonos, pero están más espaciados y dejan un camino despejado de hexágonos disponibles para que el calor suba por la chimenea.
Las nano-chimeneas simuladas creadas por científicos de la Universidad de Rice podrían ayudar a mantener fresca la nanoelectrónica de próxima generación al mejorar la disipación de calor. Crédito:Alex Kutana / Rice University
"Nuestro interés en promover nuevas aplicaciones para el carbono de baja dimensión:fullerenos, nanotubos y grafeno:es amplio, ", Dijo Yakobson." Una forma es usarlos como bloques de construcción para llenar espacios tridimensionales con diferentes diseños, creando anisotrópicos, Andamios no uniformes con propiedades que ninguno de los materiales a granel actuales tiene. En este caso, estudiamos una combinación de nanotubos y grafeno, conectado por conos, motivados al ver tales formas obtenidas en los laboratorios experimentales de nuestros colegas ".
Los investigadores probaron la conducción de fonones a través de simulaciones de nanotubos independientes, grafeno con pilares y nano-chimeneas con un radio de cono de 20 o 40 angstroms. El grafeno con pilares era un 20 por ciento menos conductor que los nanotubos simples. Las nano-chimeneas de 20 angstrom eran tan conductoras como los nanotubos simples, mientras que los conos de 40 angstrom eran un 20 por ciento mejores que los nanotubos.
"La capacidad de sintonización de tales estructuras es prácticamente ilimitada, derivado de las vastas posibilidades combinatorias de organizar los módulos elementales, "dijo Alex Kutana, un científico investigador de Rice y coautor del estudio. "El desafío real es encontrar las estructuras más útiles dada una gran cantidad de posibilidades y luego hacerlas en el laboratorio de manera confiable.
"En el caso presente, los parámetros de ajuste fino podrían ser formas de cono y radios, espaciado de nanotubos, longitudes y diámetros. Curiosamente, las nano-chimeneas también actúan como diodos térmicos, con el calor fluyendo más rápido en una dirección que en la otra, " él dijo.
El estudiante graduado de Rice, Ziang Zhang, es el autor principal del artículo. Ajit Roy, ingeniero principal de investigación de materiales en el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea en Dayton, Ohio, es coautor. Yakobson es profesor Karl F. Hasselmann de ciencia de materiales y nanoingeniería y profesor de química.
La Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y su Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria apoyaron la investigación. Los cálculos se realizaron en la supercomputadora DAVinCI respaldada por la Fundación Nacional de Ciencias de Rice, administrada por el Centro de Investigación en Computación, adquirido en asociación con el Instituto Ken Kennedy de Tecnología de la Información.
