Làm mát LED bằng cách tăng cường truyền nhiệt keo nano
Một nhóm nghiên cứu đa ngành tại Viện Rensselaer Polytechnic đã phát triển một phương pháp mới giúp tăng cường đáng kể tốc độ truyền nhiệt giữa 2 loại vật liệu. Kết quả nghiên cứu của nhóm được công bố trên tạp chí Nature Materials, có thể là những tiến bộ mới trong việc làm mát chíp máy tính và các linh kiện diode phát quang (LED), tấm thu năng lượng mặt trời hay thu nhiệt thải, và các ứng dụng khác.
Bằng cách kẹp một lớp keo nano siêu mỏng giữa đồng và silica (SiO2), nhóm nghiên cứu đã chứng minh độ dẫn nhiệt tăng gấp bốn lần tại tiếp xúc giữa hai vật liệu. Thấp hơn một nanomet - hay một phần tỷ mét - bề dày, keo nano là một lớp phân tử hình thành liên kết chặt chẽ với đồng (kim loại) và silica (gốm), nếu không sẽ không dính với nhau tốt. Loại khóa phân tử nano này cải thiện độ bám dính, và cũng giúp đồng bộ các dao động của các nguyên tử tạo nên hai vật liệu đó, lần lượt, tạo điều kiện thuận lợi cho việc di chuyển hiệu quả của các hạt nhiệt gọi là phonons. Ngoài đồng và silica, nhóm nghiên cứu đã chứng minh kết quả của họ cũng gần đúng cho các tiếp xúc kim loại-gốm khác.
Truyền nhiệt là một khía cạnh quan trọng của nhiều công nghệ khác nhau. Như chíp máy tính phát triển nhỏ hơn và phức tạp hơn, các nhà sản xuất liên tục tìm kiếm những phương pháp mới và tốt hơn để loại bỏ nhiệt dư thừa từ các linh kiện bán dẫn để tăng độ tin cậy và hiệu suất. Ví dụ với các linh kiện quang điện, truyền nhiệt tốt hơn dẫn đến chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện hiệu quả hơn. Các nhà sản xuất den led cũng đang tìm cách để tăng hiệu quả bằng cách giảm tỷ lệ năng lượng đầu vào bị mất dưới dạng nhiệt. Ganapati Tamanath, giáo sư tại Khoa Khoa học vật liệu và Kỹ thuật tại Rensselaer, người đứng đầu nhóm nghiên cứu mới cho biết khả năng tăng cường vào tối ưu hóa độ dẫn nhiệt tiếp xúc dẫn đến những sáng kiến mới trong những điều này và các ứng dụng khác.
Làm mát LED bằng cách tăng cường truyền nhiệt keo nano
"Tiếp xúc giữa các vật liệu khác nhau thường làm tắc nghẽn dòng chảy nhiệt do việc vận chuyển phonon bị dập tắt.Chèn một lớp vật liệu thứ ba thường chỉ làm cho mọi thứ tồi tệ hơn vì một tiếp xúc khác được tạo ra" Ramanath nói. "Tuy nhiên, phương pháp của chúng tôi giới thiệu một lớp nano siêu mỏng của các phân tử hữu cơ mà liên kêt mạnh với cả hai vật liệu ở mặt tiếp xúc giúp tăng cường độ dẫn nhiệt tiếp xúc gấp nhiều lần, trái với dẫn nhiệt kém thường thấy ở tiếp xúc vô cơ, hữu cơ. Phương pháp này điều chỉnh độ dẫn nhiệt bằng cách kiểm soát độ bám dính sử dụng một lớp nano hữu cơ làm việc cho nhiều hệ vật liệu, và cung cấp một phương pháp thao tác mới của nhiều đặc tính các loại tiếp xúc vật liệu khác nhau ở cấp độ nguyên tử, phân tử. Ngoài ra, có thể làm được điều này khiêm tốn hơn bằng phương pháp đơn giản là tự lắp ráp một lớp đơn phân tử.
Kết quả của nghiên cứu mới, có tiêu đề "Nâng cao độ dẫn nhiệt liên kết cảm ứng tại tiếp xúc dị thể vô cơ sử dụng đơn lớp nano phân tử," đã được công bố trực tuyến gần đây bởi tạp chí Nature Materials, và sẽ xuất hiện trong một ấn bản in sắp tới của tạp chí.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một sự kết hợp của thí nghiệm và lý thuyết để xác nhận phát hiện của họ.
"Nghiên cứu của chúng tôi thiết lập mối tương quan giữa cường độ liên kết bề mặt và dẫn nhiệt, phục vụ để củng cố lý thuyết mới và mở ra cách thức mới để kiểm soát truyền nhiệt tiếp xúc," đồng tác giả Pawel Keblinski, giáo sư tại Khoa Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật tại Rensselaer nói.
"Thực sự đáng chú ý là một lớp phân tử duy nhất có thể mang lại một sự cải thiện lớn về các tính chất nhiệt của tiếp xúc bằng cách hình thành các liên kết tiếp xúc mạnh. Điều này có thể hữu ích cho việc kiểm soát vận chuyển nhiệt cho nhiều ứng dụng trong ngành điện tử, ánh sáng và tạo ra năng lượng," đồng tác giả Masashi Yamaguchi, phó giáo sư tại Khoa Vật lý, Vật lý ứng dụng, và Thiên văn học tại Rensselaer cho biết.
"Mục tiêu tổng thể của giáo sư Ramanath được NSF tài trợ nghiên cứu để làm sáng tỏ, sử dụng các mô hình nguyên lý cơ bản đầu tiên, các tác động của hóa học phân tử, môi trường hóa chất, mô hình tiếp giáp, và chu kỳ cơ nhiệt trên cơ sở dẫn nhiệt của các tiếp xúc kim loại-gốm thay thế cho lớp nano phân tử ", Clark V. Cooper, cố vấn cao cấp về khoa học tại Tổng cục Khoa học toán học và vật lý NSF, người trước đây giữ chức giám đốc chương trình Vật liệu và Kỹ thuật bề mặt nói. "Phù hợp với nhiệm vụ của NSF, trọng tâm của nghiên cứu là thúc đẩy khoa học cơ bản, nhưng những lợi ích xã hội tiềm năng của nghiên cứu là rất lớn."
"Đây là một ví dụ hấp dẫn của sự tương tác giữa vật lý, hóa học và tính chất cơ học hoạt động đồng loạt ở cấp độ nano để xác định các đặc tính truyền nhiệt ở tiếp xúc kim loại - gốm khác", ông Anupama B. Kaul, Giám đốc chương trình cho Bộ phận Điện, Truyền thông, và hệ thống Cyber tại Tổng cục Kỹ thuật NSF nói. "Thực tế là các lớp nano phân tử hữu cơ chỉ là một lớp đơn và có ảnh hưởng quan trọng trên các đặc điểm nhiệt thực sự đáng chú ý. Kết quả của tiến sĩ Ramanath đặc biệt có giá trị trong điện tử học nano ở đó quản lý nhiệt do thu hẹp kích thước thiết bị tiếp tục là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực. "
Nghiên cứu này được tài trợ với sự hỗ trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF)