Perinteisissä materiaaleissa sisäisten hiukkasten välinen etäisyys yleensä kasvaa venytyksen aikana, mikä pidentää elektronien ja lämmön kuljetusreittejä; seurauksena niiden sähkö- ja lämmönjohtavuus taipumus laskea. Eteläkorealaisen tutkimusryhmän kehittämä uusi nanokomposiitti käyttäytyy kuitenkin päinvastaisesti: materiaalin venytyksen jälkeen sen sähkönjohtavuus ja lämmönjohtavuus kasvavat. Tiimi sovelsi sitä edelleen lämmönhallintaan taitettavissa puhelimissa tarjoten potentiaalisen uuden materiaaliratkaisun lämmönpoistoon joustavissa elektronisissa laitteissa.
Tutkimusta johtivat professorit Seunghyun Baik ja Joonmyung Choi Sungkyunkwanin yliopiston konetekniikan korkeakoulusta, ja tulokset julkaistiinKehittyneet toiminnalliset materiaalit.
Nanomittakaavaiset aukot tekevät lämmönsiirrosta tehokkaampaa venytyksen jälkeen
Tutkimusryhmä dispergoitiin tasaisesti hopean nanohiukkasia, joiden hiukkaskoko oli vain 3,4 nm, venyvään silikonikumiin ja kontrolloi hiukkasten välistä etäisyyttä noin 4,1 nm:iin. Kun nanopartikkelien välinen etäisyys pienenee alle 10 nm:n, elektronit voivat ylittää hiukkasten välisen energiaesteen kvanttitunneloinnin avulla, mikä mahdollistaa elektronien kuljetuksen. Tämä mahdollistaa materiaalin suhteellisen hyvän sähkönjohtavuuden säilyttämisen myös silloin, kun se muuttaa muotoaan.
Erityisesti tiimi havaitsi, että venytetyssä tilassa lämmönsiirto komposiitin sisällä muuttui myös eri tavalla kuin perinteisissä materiaaleissa. Hiukkasten väliin muodostuneet nanomittakaavan lämmönsiirtokanavat mahdollistavat lämmön siirtämisen täyteaineiden välillä ballistisella-kaltaisella kuljetustavalla, mikä vähentää ylimääräistä sirontaa venytyksen aikana ja lisää siten materiaalin lämmönjohtavuutta.
Venyttely voi myös ohjata materiaalin lämmönjohtavuutta
Tiimi sääti edelleen hopeahiukkasten välistä etäisyyttä ja silikonikumin kemiallisia ominaisuuksia, mikä antoi komposiitille lämpökytkentäominaisuuden, mikä tarkoittaa, että lämmönsiirtoa voidaan säädellä muuttamalla materiaalin venytystilaa. Laskennalliset simulaatiot osoittivat, että venytyksen jälkeen polymeeriketjut suuntautuvat jännityssuuntaan, mikä mahdollistaa lämmön siirtämisen tehokkaammin tähän suuntaan.
Tällä ominaisuudella on potentiaalista käyttöarvoa joustaville elektronisille laitteille, kuten taitettaville ja joustaville laitteille. Älypuhelimet ja elektroniset laitteet tuottavat jatkuvasti lämpöä käytön aikana, ja taivutettavien ja taitettavien laitteiden osalta perinteisten lämpöä{1}}poistomateriaalien suorituskyky saattaa heikentyä, kun laitteet muotoutuvat. Jos lämmönjohtavuutta voidaan säädellä aktiivisesti mekaanisen muodonmuutoksen avulla, voi olla mahdollista parantaa joustavien elektronisten laitteiden lämmönhallintakykyä edelleen.