Пленки из одностенных углеродных нанотрубок хорошо проводят тепло
Высокая теплопроводность и механическая гибкость – два взаимоисключающих свойства. В природе материалов, обладающих обеими характеристиками одновременно, не существует. Однако это необычное сочетание свойств может иметь решающее значение при создании устройств, которые способны передавать тепло между различными поверхностями (по аналогии с металлическими теплоотводами).
Предыдущие попытки сделать подобные структуры заканчивались созданием систем, которые разлагались или ломались со временем, поскольку соприкасающиеся поверхности различных материалов покрывались трещинами и расслаивались в результате циклического воздействия температуры. Группа ученых из Stanford University (США), похоже, решила эту проблему, предложив в качестве такого удивительного материала пленки из одностенных углеродных нанотрубок, которые, как оказалось, проводят тепло не хуже, чем многие металлы.
Рис.1. Изображение различных видов пленок на основе одностенных углеродных нанотрубок, полученные при помощи сканирующего электронного микроскопа.
В рамках своей работы, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences,ученые не только оценили теплопроводность, но и выявили точные физические механизмы, ответственные за механическую прочность пленок одностенных углеродных нанотрубок, в частности, силы Ван-дер-Ваальса и взаимодействие отдельных нанотрубок (сжатие, растяжение и спутывание). На основе метода, изложенного в ранней работе, ученые измерили модуль упругости пленки из нанотрубок.
Также команда изучила пленки из одностенных углеродных нанотрубок при помощи сканирующей электронной микроскопии, чтобы понять взаимосвязь между значением модуля упругости и тем, как углеродные нанотрубки были объединены для формирования пленки.
Для предварительного определения относительного вклада способа «упаковки» (регулируемой силами Ван-дер-Ваальса, степенью изгиба нанотрубок, а также их спутанности) использовались специально разработанные компьютерные модели. По мнению исследователей, представленные ими расчеты и эксперименты помогут инженерам в разработке разнообразных наноструктурированных материалов, построенных на основе выровненных волокон или листов, которые не только хорошо проводят тепло, но также имеют удивительные механические свойства. Такие материалы могут найти применение в целом ряде инструментов для преобразования энергии или управления теплом, к примеру, создаваемых для решения задачи охлаждения портативных устройств.
В настоящий момент научная группа занята расширением своих исследований на пленки из металлической нанопроволоки, а также на пористую металлическую пену. Оба материала, по их словам, устойчивы к высоким температурам, а значит, могут быть применимы там, где с охлаждением поверхности не справятся углеродные нанотрубки.
Источник информации:
Proc. National Acad. Science 110 (2013) 51, 20426-20430