Als je een elektronisch product gebruikt, wekt dat warmte op. Maar te veel warmte kan een omgeving met warmteclusters creëren die gevoelige onderdelen kunnen beschadigen. Het beheersen van de warmtestroom op microscopisch niveau en daaronder, is een van de grote uitdagingen van engineering. Onderzoekers hebben nu een superdun materiaal ontwikkeld dat extreem goed is in zowel het vasthouden als het verplaatsen van warmte. En dat in verschillende richtingen. Dat opent de weg naar zeer nuttige toepassingen in elektronica en andere technologie, schrijft de Chalmers University of Technology uit Zweden in een persbericht.
Het onderzoek, dat onlangs werd gepresenteerd in een artikel in het wetenschappelijke tijdschrift Nature, is een samenwerking tussen onderzoekers van de Universiteit van Chicago, de Chalmers University of Technology, de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign en de Cornell University.
De onderzoekers van de Universiteit van Chicago hebben een materiaal gemaakt van minder dan tien nanometer dik, dat bestaat uit ultradunne kristallijne lagen die op willekeurige wijze op elkaar zijn gestapeld. Gewoonlijk bestaan materialen in de elektronica uit regelmatige, zich herhalende rasters van atomen, waardoor elektriciteit (en warmte) zich zeer gemakkelijk door het materiaal kan bewegen. Maar in het materiaal dat de onderzoekers hier hebben onderzocht, is elke plaat een beetje gedraaid, alsof je achteloos lasagnevellen op een hoopje stapelt. Het resultaat is dat de warmtestroom tussen de lagen wordt belemmerd, terwijl de warmtestroom binnen de lagen hoog blijft.
Het vasthouden en verplaatsen van warmte in verschillende richtingen
Deze stapelingstechniek levert een materiaal op dat bijzonder goed is in het vasthouden van warmte en het verplaatsen ervan in verschillende richtingen – een ongebruikelijk vermogen op microscopische schaal. “Gewoonlijk zijn er twee materialen nodig: een materiaal dat warmte geleidt en een materiaal dat warmte isoleert. Dit materiaal doet beide tegelijk. Aan de ene kant van het materiaal wordt de warmte ongehinderd verspreid, aan de andere kant is het koel. Dit materiaal heeft de hoogste verhouding van geleidbaarheid in verschillende richtingen van alle bekende materialen”, zegt Paul Erhart, professor aan het departement fysica van de Chalmers University of Technology, en een van de hoofdauteurs van het artikel.
Hoewel het materiaal krachtig is, is het ook extreem dun. Zo zou het materiaal bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om batterijen of microchips tegen oververhitting te beschermen door de warmte van de chips weg te geleiden, terwijl het tegelijkertijd geen ruimte in het product inneemt – een voordeel aangezien dergelijke componenten steeds kleiner worden. Het materiaal zou ook kunnen worden gebruikt voor computerchips met hoge prestaties, omdat de componenten dan met een hogere elektrische stroom kunnen werken.
Computermodel
De onderzoeksgroep van Chalmers heeft zich geconcentreerd op het verklaren waarom het materiaal zich gedraagt zoals het doet en het geven van suggesties voor verschillende soorten veranderingen om de materiaaleigenschappen te verbeteren. Dit is gedaan door een computermodel van het materiaal te maken, waarin simulaties en observaties worden uitgevoerd. “Het model is een soort supermicroscoop waarin je elk atoom afzonderlijk kunt observeren; hoe ze zich gedragen en hoe ze op microscopische schaal naar elkaar toe bewegen. Wat we na deze waarnemingen suggereren is de basis voor verschillende experimenten die zijn uitgevoerd,” zegt Paul Erhart.
Hittegevoelig
Het materiaal dat de onderzoekers hebben bestudeerd is gemaakt van molybdeendisulfide, maar zij suggereren dat de techniek ook op andere 2D-materialen kan worden toegepast. De resultaten van het onderzoek zouden deuren kunnen openen om te experimenteren met materialen die tot nu toe te hittegevoelig waren voor ingenieurs om in elektronica te gebruiken. “De combinatie van uitstekende warmtegeleiding in de ene richting en uitstekende isolatie in de andere richting bestaat helemaal niet in de natuur,” zegt Jiwoong Park, hoofdauteur van het onderzoek en hoogleraar chemie en moleculaire technologie aan de Universiteit van Chicago. “Ik hoop dat dit een geheel nieuwe richting opent voor het maken van exotische warmtegeleiders.”
Ook interessant: Een slimme tank als ‘coole’ oplossing om warmte op te slaan
Geselecteerd voor jou!
Innovation Origins is het Europese platform voor innovatienieuws. Naast de vele berichten van onze eigen redactie in 15 Europese landen, selecteren wij voor jou de belangrijkste persberichten van betrouwbare bronnen. Zo blijf je op de hoogte van alles wat er gebeurt in de wereld van innovatie. Ben jij of ken jij een organisatie die niet in onze lijst met geselecteerde bronnen mag ontbreken? Meld je dan bij onze redactie.
