可用于电路冷却的纳米“烟囱”

　　美国莱斯大学理论物理学家鲍里斯雅克布森（Boris Yakobson）的研究组日前发现，在石墨烯和碳纳米管之间引入一个圆锥状的“烟囱”可以消除阻挡热量散失的屏障。
　　热量通过声子来传递（声子是一种准粒子波，也可以传递声音）。莱斯大学的这项研究成果为将破坏性热量从下一代电子电路中导出提供了一种很好的策略。
　　石墨烯和碳纳米管都可以快速传输电子和声子，它们都具有六原子碳环结构，看上去像是用来制作鸡笼的六角形网眼钢丝线。但是，当纳米管在石墨烯上生长时，在二者连接处的碳原子更倾向于形成七元环结构。科学家们目前已确定，在石墨烯上长出的碳纳米管森林具有优良的储氢性能非常适合能源应用。然而，对于电子器件来说，碳纳米管与石墨烯连接处的七元碳环会使声子发生散射阻碍热量通过纳米管柱子的导出。
　　莱斯大学的研究人员通过计算机模拟发现，删除二维石墨烯基底上的原子可在石墨烯与纳米管的连接处形成一个圆锥状的结构。从几何性质（又叫拓扑）的角度讲，这种石墨烯到圆锥状结构再到碳纳米管的过渡需要与原先同样数量的七元环结构，但是这些七元环之间的空间足够稀疏，留出了清晰的六角碳环通道从而可使热量通过“烟囱”急速上升。
　　雅克布森说：“我们对于推进低维度碳（如富勒烯、碳纳米管以及石墨烯）的全新应用具有十分广泛的兴趣，一种应用方式是把它们当作具有不同设计的构建模块来填充三维空间，制作各向异性的非均匀支架，它们具有当前任何一种块体材料都不具备的特性。我们新的这项研究中利用圆锥状结构将石墨烯与碳纳米管相连接的想法是受到了在我们同行的实验室中可以经常看到的形状的启发。”
　　研究人员利用计算模拟的方法对独立碳纳米管、柱状石墨烯和锥体半径分别为20和40埃的纳米“烟囱”传导声子的性质进行了测试。测试结果显示，柱状石墨烯的声子传导性比普通碳纳米管差20%，椎体半径为20埃的纳米“烟囱”的导热性与普通碳纳米管相同，而拥有40埃椎体半径的纳米“烟囱”的导热性比普通碳纳米管强20%。
　　本研究的合作者，莱斯大学的Alex Kutana 说：“由于基本构建模块的组合方式多种多样，这种新型结构几乎具有无限的可调谐性。当前真正的挑战在于找到一种具备多种可能性的有用的结构，且能在实验室条件下将它可靠地制备出来。在此项研究中，可以进一步调整的参数包括圆锥体的形状和半径以及碳纳米管的间距、长度和直径。有意思的是，这种纳米‘烟囱’还具有类似热敏二极管的性质，在一个方向上的导热性明显强于另一个方向。”
　　本篇研究论文的作者是莱斯大学的研究生Ziang Zhang。本研究的合作者还有美国空军研究实验室的席材料研究工程师Ajit Roy。这项研究由美国空军科学研究办公室和它的多学科大学研究创新计划提供支持。该项研究中的计算工作在莱斯大学的美国科学基金会提供的由计算研究中心和肯·肯尼迪信息技术研究所共同管理的达芬奇可视化（DAVinCI）超级计算机上进行。
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