Quy mô nguyên tử “Lasagna” kiểm soát dòng nhiệt ở cấp độ nano

Cấu trúc khác biệt của các lớp nguyên tử mỏng giúp kiểm soát sự truyền nhiệt.

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Tokyo Metropolitan đã tìm ra những cách mới để kiểm soát cách nhiệt di chuyển qua các vật liệu mỏng bằng cách xếp chồng các lớp nguyên tử mỏng vào các cấu trúc dị cấu trúc van der Waals . Bằng cách so sánh các chồng vật liệu khác nhau, hoặc thậm chí cùng một vật liệu sau khi xử lý nhiệt, họ phát hiện ra rằng sự khớp nối yếu và không phù hợp giữa các lớp đã giúp giảm đáng kể sự vận chuyển nhiệt. Phát hiện của họ hứa hẹn khả năng kiểm soát nhạy cảm dòng nhiệt ở kích thước nano trong các thiết bị nhiệt điện.

Nhiệt ở khắp mọi nơi, và nó chảy ra. Chúng ta chứng kiến điều đó hàng ngày, khi chúng ta chạm vào tay nắm cửa lạnh, thấy đá tan chảy hoặc đặt một cái nồi trên bếp. Nhiệt đặt sai vị trí cũng có thể gây hại. Ví dụ bao gồm các thiết bị điện tử quá nóng, vì các vi mạch tạo ra nhiều nhiệt hơn mức chúng có thể di chuyển đi trong khi chúng thực hiện các tác vụ tính toán chuyên sâu. Điều này có thể làm hỏng hoặc làm giảm nghiêm trọng tuổi thọ của các thiết bị điện tử, khiến việc kiểm soát dòng nhiệt ở quy mô nano trở thành mối quan tâm cấp bách của xã hội hiện đại.

Một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Kazuhiro Yanagi thuộc Đại học Tokyo Metropolitan dẫn đầu đã nghiên cứu cách sản xuất và xử lý các lớp siêu mỏng của một loại vật liệu được gọi là dichalcogenides kim loại chuyển tiếp. Tại đây, họ lấy các lớp molypden disulfide và molypden diselenide dày một nguyên tử , và xếp chúng lại với nhau thành 4 lớp (màng 4L). Các lớp có thể được ghép với nhau theo nhiều cách khác nhau. Cách độc đáo, nhẹ nhàng của nhóm nghiên cứu trong việc chuyển các tấm mỏng đơn nguyên tử lớn cho phép họ tạo ra các chồng lớp liên kết với nhau bằng lực van der Waals. Chúng cũng có thể bị ràng buộc bởi các kỹ thuật thông thường hơn, cụ thể là lắng đọng hơi hóa học (CVD). Điều này dẫn đến một số hoán vị về cách các lớp biệt lập có thể được ghép lại với nhau và có khả năng kiểm soát cách nhiệt truyền qua chúng.

Bằng cách sử dụng một kỹ thuật phủ đặc biệt, họ có thể phát hiện lượng nhiệt cực nhỏ chảy qua các ngăn xếp này với độ chính xác khá tốt. Thứ nhất, họ phát hiện ra rằng các lớp liên kết mạnh mẽ bởi CVD truyền nhiệt nhiều hơn đáng kể so với các lớp liên kết lỏng lẻo của chúng. Hiệu ứng này có thể được đảo ngược một phần bằng cách ủ các lớp được giữ yếu, làm cho liên kết mạnh hơn và cải thiện khi vận chuyển nhiệt. Hơn nữa, họ so sánh các chồng 4 lớp molypden sulfide với một cấu trúc giống như “lasagna” được tạo bởi các lớp xen kẽ của molypden sulfide và molypdenum selenua. Những dị cấu trúc như vậy có sự sai lệch cấu trúc nhân tạo giữa các lớp nguyên tử liền kề dẫn đến mức độ truyền nhiệt thấp hơn đáng kể, ít hơn mười lần so với các lớp liên kết mạnh.

Phát hiện của nhóm không chỉ chứng minh một sự phát triển kỹ thuật mới mà còn cung cấp các quy tắc thiết kế chung về cách người ta có thể kiểm soát cách dòng nhiệt ở quy mô nano, cho dù bạn muốn dòng chảy nhiều hay ít. Những hiểu biết này sẽ dẫn đến sự phát triển của chất cách điện siêu mỏng, siêu nhẹ cũng như các vật liệu nhiệt điện mới, nơi nhiệt có thể được dẫn truyền một cách hiệu quả để chuyển đổi thành điện năng.

Tham khảo: “Kiểm soát độ dẫn nhiệt qua vật liệu van der Waals xếp chồng theo chiều dọc thông qua kỹ thuật liên mặt” của Wenyu Yuan, Kan Ueji, Takashi Yagi, Takahiko Endo, Hong En Lim, Yasumitsu Miyata, Yohei Yomogida và Kazuhiro Yanagi, ngày 29 tháng 9 năm 2021 , ACS Nano .
DOI: 10.1021 / acsnano.1c03822

Công việc này được hỗ trợ bởi JSPS KAKENHI Grants-in-Aid of Scientific Research (JP17H06124, JP17H01069, JP18H01816, JP20H02573, JP19K15393 và JP18H01832) và JST CREST Program Grants (JPMJCR17I5, JPMJMR16F3, JPMJCR16F3, JPMJ2JCR17I).

Theo Scitechdaily