Дослідження наномасштабної теплопередачі та нанофлюїдних потоків

Вступ

У 2015 році група науковців під керівництвом Пітера Таборека з Каліфорнійського університету в Ірвайні завершила важливе дослідження з наномасштабної теплопередачі (передача тепла на рівні нанометрів) та нанофлюїдних потоків (рух рідин у наномасштабі).

Це дослідження фінансувалося Військово-повітряними силами США і охоплювало період з 2012 по 2015 рік. Метою було розробити методи для виготовлення "нанотруб" (трубки на нанометровому рівні) діаметром від 20 до 500 нанометрів (одиниця виміру довжини, рівна одній мільярдній частині метра) і довжиною до 20 мікрометрів (одиниця виміру довжини, рівна одній мільйонній частині метра), а також вивчити механізми теплопередачі і потоку рідин через ці нанотруби.

Результати дослідження

Створення нанотруб

Науковці створили нанотруби шляхом травлення (процес обробки матеріалу шляхом впливу хімічних реактивів) окремих іонних треків у полімерах (великі молекули, що складаються з повторюваних структурних одиниць) або міка-плівках (шаруваті кристалічні матеріали). 

Вони використовували мас-спектрометрію (метод аналізу складу речовин за їх масами) для вимірювання потоку газів і рідин через нанотруби в широкому діапазоні температур.

Вивчення потоків

Було визначено переходи від ламінарного (плавного) до турбулентного (хаотичного) потоку та від балістичного (рух частинок без зіткнень) до гідродинамічного (рух рідини зі взаємодією частинок) потоку в найменших трубках, які будь-коли досліджувалися. 

Крім того, вони дослідили роль ковзання рідини по стінках нанотруб і виявили, що в наномасштабі ковзання практично відсутнє.

Сучасні застосування та вплив на науку

Охолодження електронних пристроїв

Застосування наномасштабної теплопередачі та нанофлюїдних потоків сьогодні охоплюють широкий спектр галузей. Одним з ключових напрямів є охолодження високопотужних електронних пристроїв, таких як мікропроцесори.

Ефективність теплопередачі

Застосування нанотруб з вуглецевих нанотрубок (CNT - трубки, створені з вуглецевих атомів у вигляді циліндричних структур) та графену (матеріал, утворений шаром атомів вуглецю товщиною в один атом) значно підвищує ефективність теплопередачі завдяки високій теплопровідності (здатність матеріалу проводити тепло) цих матеріалів.

Гібридні структури

Комбіноване використання графену і CNT у вигляді гібридних структур дозволяє ефективно розсіювати тепло, що виникає в сучасних інтегральних схемах (електронні схеми, в яких компоненти об'єднані в єдине ціле), забезпечуючи стабільну роботу при високих температурах і теплових потоках.

Інші застосування

Інші важливі застосування включають фільтрацію і біоміметичні сенсори (сенсори, що імітують природні процеси). Наприклад, нанобульбашкові пробки в нанопіпетках (дуже тонкі трубки, використовувані для маніпуляції малими об'ємами рідин) використовуються для вивчення поверхневих властивостей мікроорганізмів та розробки нових методів іонного струму (струм, створений рухом іонів) для детекції біомолекул (молекули, що є складовими частинами живих організмів).