Des simulations réalisées par des scientifiques de l'Université Rice montrent que le fait de placer des cônes entre le graphène et les nanotubes de carbone pourrait améliorer la dissipation thermique de la nano-électronique. Les nano-cheminées conduisent mieux les phonons caloporteurs en répartissant le nombre d'heptagones requis par la transition graphène-nanotube. Crédit :Alex Kutana/Université du riz
Quelques ajustements à l'échelle nanométrique peuvent suffire pour que les jonctions graphène-nanotube excellent dans le transfert de chaleur, selon les scientifiques de l'Université Rice.
Le laboratoire Rice du physicien théoricien Boris Yakobson a découvert que mettre une "cheminée" en forme de cône entre le graphène et le nanotube élimine pratiquement une barrière qui empêche la chaleur de s'échapper.
La recherche apparaît dans l'American Chemical Society's Journal de chimie physique C .
La chaleur est transférée par les phonons, ondes de quasi-particules qui transmettent également le son. La théorie de Rice propose une stratégie pour canaliser la chaleur nocive loin de la nano-électronique de nouvelle génération.
Les nanotubes de graphène et de carbone sont tous deux constitués d'anneaux à six atomes, qui créent une apparence de grillage, et tous deux excellent dans le transfert rapide de l'électricité et des phonons.
Mais quand un nanotube se développe à partir de graphène, les atomes facilitent le tour en formant à la place des anneaux heptagonaux (à sept membres). Les scientifiques ont déterminé que les forêts de nanotubes issus du graphène sont excellentes pour stocker l'hydrogène pour des applications énergétiques, mais en électronique, les heptagones diffusent des phonons et empêchent l'évacuation de la chaleur à travers les piliers.
Les chercheurs de Rice ont découvert grâce à des simulations informatiques que le retrait d'atomes ici et là de la base de graphène bidimensionnel forcerait la formation d'un cône entre le graphène et le nanotube. Les propriétés géométriques (alias topologie) des transitions graphène-cône et cône-nanotube nécessitent le même nombre total d'heptagones, mais ils sont plus espacés et laissent un chemin dégagé d'hexagones disponibles pour que la chaleur monte rapidement dans la cheminée.
Les nano-cheminées simulées créées par des scientifiques de l'Université Rice pourraient aider à garder la nano-électronique de nouvelle génération au frais en améliorant la dissipation de la chaleur. Crédit :Alex Kutana/Université du riz
« Notre intérêt à faire avancer de nouvelles applications pour le carbone de faible dimension—fullerènes, nanotubes et graphène—est large, " Yakobson a dit. " Une façon est de les utiliser comme blocs de construction pour remplir des espaces tridimensionnels avec des conceptions différentes, créer anisotrope, échafaudages non uniformes avec des propriétés qu'aucun des matériaux en vrac actuels n'a. Dans ce cas, nous avons étudié une combinaison de nanotubes et de graphène, reliés par des cônes, motivé en voyant de telles formes obtenues dans les laboratoires expérimentaux de nos collègues."
Les chercheurs ont testé la conduction des phonons grâce à des simulations de nanotubes autonomes, le graphène à piliers et les nano-cheminées avec un rayon de cône de 20 ou 40 angströms. Le graphène à piliers était 20 % moins conducteur que les nanotubes simples. Les nano-cheminées de 20 angströms étaient tout aussi conductrices que les nanotubes simples, tandis que les cônes de 40 angströms étaient 20 pour cent meilleurs que les nanotubes.
"L'accordabilité de telles structures est pratiquement illimitée, résultant des vastes possibilités combinatoires d'agencement des modules élémentaires, " a déclaré Alex Kutana, un chercheur de Rice et co-auteur de l'étude. « Le véritable défi est de trouver les structures les plus utiles compte tenu d'un grand nombre de possibilités, puis de les fabriquer en laboratoire de manière fiable.
"Dans le cas présent, les paramètres de réglage fin pourraient être des formes et des rayons de cône, espacement des nanotubes, longueurs et diamètres. De façon intéressante, les nano-cheminées agissent également comme des diodes thermiques, avec de la chaleur circulant plus rapidement dans un sens que dans l'autre, " il a dit.
L'étudiant diplômé de Rice, Ziang Zhang, est l'auteur principal de l'article. Ajit Roy, ingénieur principal de recherche sur les matériaux à l'Air Force Research Laboratory de Dayton, Ohio, est co-auteur. Yakobson est le professeur Karl F. Hasselmann de science des matériaux et de nano-ingénierie et professeur de chimie.
Le Bureau de la recherche scientifique de la Force aérienne et son Initiative de recherche universitaire multidisciplinaire ont soutenu la recherche. Les calculs ont été effectués sur le supercalculateur DAVinCI soutenu par la National Science Foundation de Rice et administré par le Center for Research Computing, acquis en partenariat avec le Ken Kennedy Institute for Information Technology.
