ФИЛАДЕЛЬФИЯ - Новое исследование Университета Пенсильвании показывает, что углеродные нанотрубки, нити из чистого углерода менее одной десятитысячной ширины человеческого волоса, могут быть лучшим теплопроводным материалом, который когда-либо знал человек. Полученные данные свидетельствуют о том, что эти экзотические нити, уже известные своей непревзойденной прочностью и уникальной способностью принимать электрические свойства полупроводников или совершенных металлов, могут когда-нибудь также найти применение в качестве миниатюрных теплопроводов во множестве устройств и материалов.
Команда Пенсильванского университета под руководством материаловеда Джона Э. Фишера, доктора философии, и физика Алана Т. Джонсона, доктора философии, предлагает эти первые подробности о тепловых свойствах углеродных нанотрубок в статье, появившейся в 8 сентября, номер журнала Science.
В течение некоторого времени ученые были заинтригованы углеродными нанотрубками, цилиндрами из чистого углерода со стенками толщиной всего в один атом. Впервые созданные десять лет назад с помощью лазерного воздействия на графит, эти структуры стали одним из чудес мира нанотехнологий - они в 100 раз прочнее стали и обладают гораздо большей электропроводностью, чем другие материалы на основе углерода. Исследователи представили миниатюрные нити, наполняющие хрупкий пластик и проводящие ток во все меньших электрических цепях, среди десятков других возможностей.
Вновь обретенная способность углеродных нанотрубок проводить тепло предлагает приложения, выходящие далеко за рамки тех, которые требуют их прочности и электропроводности, сказал доктор. Джонсон, доцент кафедры физики Пенсильванского университета. По мере стремительного роста вычислительной мощности бесконечно малая теплота, выделяемая каждой схемой на микрочипе, стала головной болью для разработчиков и производителей компьютеров, у которых мало способов рассеять значительное количество тепла, выделяемого миллионами схем, работающих в тандеме. Конструкции компьютеров следующего поколения могут обойти эту проблему с помощью разумно размещенных углеродных нанотрубок, чтобы отводить тепло от чувствительных схем.
Аналогичным образом, углеродные нанотрубки, используемые в качестве радиаторов в электродвигателях, могут позволить использовать пластиковые детали, которые в противном случае могли бы расплавиться под воздействием сильного нагрева двигателей. Крошечные структуры также могут быть встроены в материалы, которые регулярно используются для противостояния экстремальным температурам, например, те, которые формируют внешние панели самолетов и ракет..
Тепловая энергия в нанотрубках переносится звуковыми волнами; в материалах, являющихся оптимальными проводниками тепла, эти волны очень быстро распространяются по существу в одномерном направлении.доктора Фишер и Джонсон обнаружили, что звуковые волны, несущие тепловую энергию, распространяются прямо по отдельным углеродным нанотрубкам со скоростью примерно 10 000 метров в секунду, что соответствует превосходной теплопроводности. Но они также неожиданно определили, что даже когда углеродные нанотрубки связаны вместе - как отдельные нити, сваренные вместе в гигантские тросы, поддерживающие подвесные мосты - связи между отдельными нанотрубками остаются настолько слабыми, что тепло практически не выходит за их пределы.
«Ученые предсказали, что двумерные или трехмерные массивы углеродных нанотрубок позволят звуковым волнам, несущим тепло, рассеиваться во всех направлениях, что значительно снизит теплопроводность», - сказал доктор Фишер, профессор материаловедения. и инженерия в Лаборатории Пенна по исследованию структуры материи. «Наши эксперименты показали, что даже внутри пучков нанотрубок звуковые волны остаются поразительно одномерными».
«Звуковые волны не расходятся веером и не рассеиваются, потому что связи между нанотрубками в пучке настолько слабы», - сказал доктор Джонсон. «Что касается прочности соединения, вы можете представить нанотрубки в связке почти как высушенные спагетти, свободно скользящие вперед и назад, когда вы встряхиваете коробку».
По иронии судьбы, те же самые слабые связи, которые делают углеродные нанотрубки превосходными по теплопроводности, могут развеять более ранние ожидания ученых, что их пучки обеспечат непревзойденную механическую прочность. В то время как отдельные нанотрубки чрезвычайно прочны, слабое соединение Drs. Фишер и Джонсон, наблюдаемые между нанотрубками, должны были бы преодолеть эту силу, чтобы преобразовать ее в более толстую структуру.
Drs. К Фишеру и Джонсону в исследовании присоединился Джеймс Хоун, бывший исследователь с докторской степенью в Пенсильвании, ныне работающий в Калифорнийском технологическом институте; Бертрам Батлог из Lucent Technologies; и Зденек Бенеш, аспирант Пенна. Работа спонсировалась Национальным научным фондом и Университетом США. С. Министерство энергетики.