Onderzoek naar de stroom van thermische energie in gezuiverde linten van grafiet

Wetenschappers van het Institute of Industrial Science aan de Universiteit van Tokio bestudeerden de stroom van thermische energie in gezuiverde linten van grafiet en toonden aan dat warmte onder bepaalde omstandigheden meer als een vloeistof kan bewegen in plaats van willekeurig te verspreiden. Dit werk kan leiden tot een efficiëntere warmteafvoer van elektronische apparaten, waaronder smartphones, computers en leds.

Vóór het moderne begrip van de thermodynamica dachten wetenschappers soms aan warmte als een vloeistof die ‘calorisch’ wordt genoemd. We weten nu echter dat warmte eigenlijk de willekeurige kinetische energie is van de trillende atomen of moleculen waaruit een materiaal bestaat.

Soms kunnen de trillingen worden gedacht aan fysieke deeltjes, fononen genaamd, die de belangrijkste bijdrage leveren aan warmtegeleiding in halfgeleiders. In een verrassende wending kunnen de fononen zich in bepaalde materialen, zoals grafiet, inderdaad gedragen op een manier die sterk lijkt op een vloeistof. Deze theorie is echter relatief duister gebleven.

Nu heeft een team van onderzoekers onder leiding van het Institute of Industrial Science aan de Universiteit van Tokio theoretische en experimentele resultaten gebruikt om de vloeistofachtige aard van fononen beter te begrijpen. Ze laten zien dat wanneer een monster grafiet is gemaakt van isotopisch zuivere koolstof, wat betekent dat er alleen koolstof-12-atomen aanwezig zijn, warmte veel sneller kan worden afgevoerd, bijna zoals water dat door een pijp stroomt.

Dit werd “phonon Poiseuille-stroom” genoemd, gebaseerd op de theorie van viscusvloeistoffen die in een gesloten buis stromen. Het effect was het sterkst in grafiet bij een temperatuur van ongeveer 90 Kelvin. Natuurlijk grafiet bevat echter ongeveer 1% andere isotopen van koolstof, met name koolstof-13, wat dit effect in natuurlijke monsters beperkt.

“Onze studie verduidelijkte de theoretische criteria voor de vorming van fonon Poiseuille-stroming in grafiet, een materiaal dat sterke anisotropie vertoont, wat voorheen niet duidelijk was”, zegt hoofdauteur Dr. Xin Huang. Grafiet, ook wel potloodstift genoemd, is erg goedkoop en gemakkelijk te produceren.

Als gevolg hiervan wordt het al gebruikt voor warmteafvoer in sommige elektronische apparaten die tijdens het gebruik veel afvalenergie produceren. Met behulp van gezuiverd grafiet met maximaal 0,02% koolstof-13 kon het team een ​​warmtegeleidbaarheid waarnemen die meer dan het dubbele was van de waarde van natuurlijk grafiet. Het feit dat deze verbetering alleen optrad binnen een specifiek temperatuurbereik, was het bewijs dat een vloeistofachtige collectieve beweging van fononen het mechanisme was.

“In conventionele Poiseuille-stroming is de snelheid het hoogst nabij het centrum, en dat is wat we voorstellen dat gebeurt met de fononen in onze experimenten”, zegt senior auteur professor Masahiro Nomura. Naast grafiet is dit fenomeen ook waargenomen in vast helium en zwarte fosfor.

Theoretisch is dit fenomeen zelfs bij kamertemperatuur mogelijk. Dit werk kan helpen gevoelige computerprocessors koel te houden, zelfs als ze hun dichtheid in apparaten vergroten.

De bevindingen worden gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie.