Onderzoekers tonen aan dat warmte zich als golf door grafeen verspreidt

De verspreiding van warmte door tweedimensionale materialen zoals grafeen, gaat via golfachtige diffusie. Dat tonen onderzoekers van de EPFL in Zwitserland aan. Die uitkomst kan gebruikt worden bij toekomstig onderzoek naar gebruik van grafeen voor elektronica.

Het onderzoek, dat verscheen in Nature Communications, is van belang omdat met het steeds kleiner worden van componenten, het steeds lastiger is om warmte snel genoeg kwijt te raken. Een van de oplossingen is om materialen te gebruiken die een heel hoge thermische geleiding hebben om de warmte snel te verdrijven, zoals grafeen. Omdat warmte zich anders gedraagt in materialen van slechts een paar atomen dik, moet de vraag hoe de warmte zich verspreidt, wel eerst goed beantwoord worden.

De onderzoekers toonden aan dat hitte zich verspreidt in de vorm van een golf. Dit fenomeen was wel eerder waargenomen, maar alleen bij temperaturen tegen het absolute nulpunt, aldus een bericht op de site van EPFL.

Tweedimensionale materialen reageren anders op warmte dan driedimensionale. Ze hebben de eigenschap om warmte te transporteren met extreem weinig verlies, zelfs op kamertemperatuur. Normaal verplaatst warmte zich door kristallijne materialen via vibrerende atomen. Deze trillingswijze heet een fonon. Als hitte zich door een driedimensionaal materiaal voortplant, blijven die fononen met elkaar in botsing komen. Al die processen zorgen ervoor dat het geleidingsvermogen van het materiaal over langere afstand minder wordt. Alleen onder extreme omstandigheden, als de temperatuur richting het absolute nulpunt gaat, is het mogelijk om vrijwel zonder verlies warmte te geleiden.

De EPFL-onderzoekers laten zien dat materialen heel anders reageren in tweedimensionale vorm. Zelfs bij kamertemperatuur blijkt hitte vrijwel zonder verlies geleid te kunnen worden. Dit wordt veroorzaakt door een fenomeen genaamd 'tweede geluid', waarbij warmte met een golfachtige beweging door een materiaal beweegt in plaats van via het meer mechanische diffusie. Via het tweede geluid bewegen de fononen gelijktijdig over grote afstanden.

Reacties (22)

[iMispel]

Zelfs bij kamertemperatuur blijkt hitte vrijwel zonder verlies geleid te kunnen worden

Kan iemand deze zin verduidelijken? Als hitte met verlies geleid wordt, onder welke vorm doet dit verlies zich dan voor? (bvb: Verlies bij transport van electriciteit is meestal warmte). Of bedoelt men hier ipv verlies, dat de warmtegeleiding van het materiaal verminderd?

[SA007]

Verlies in warmtegeleiding wordt aangeduidt in kelvin/watt.
Effectief als je 1 kant pakt en je duwt daar 5W in, je verlies is 2 kelvin/watt dat betekend dat je ingang 10 graden warmer wordt.

Dergelijke dingen stapelen en deze waarde bepaald dus hoe warm iets wordt.

Voorbeeld (getallen zijn verzonnen, zijn vast echte getallen te googlen):
Je chip is 5W, je koelblok is een van 20 kelvin/watt, je hebt nog eens 0.1 kelvin/watt op de koelpasta en de processor heeft 0.5 kelvin/watt tussen de 'die' en de casing.
Dat betekend dat je 20+0.1+05 kelvin/watt verlies hebt, bij 5W is dat 103 graden.
Stel dat je chip max 150 graden aankan, mag de koeler dus niet boven de 47 graden celcius komen.

Als je die geleiding kan verbeteren betekend dus dat het verschil tussen de tempatuur in de chip en die van het koelblok kan verminderen en dus met minder koeling/stillere koeling hetzelfde kan bereiken, namelijk een chip die niet oververhit.

[tenhagen12500]

Ik denk dat ze duiden op verlies van warmte-energie aan de omgeving, dus de warmte die jij zou voelen als je je hand erboven houdt

[Utopia437]

Als hitte zich door een driedimensionaal materiaal voortplant, blijven die fononen met elkaar in botsing komen. Al die processen zorgen ervoor dat het geleidingsvermogen van het materiaal over langere afstand minder wordt.

[mad_max234]

Transport verlies, dus de energie(warmte) wat je verplaatst zal aan einden zo goed als gelijk zijn als wat je erin hebt gestopt. Is dus zeer goede warmte geleider zonder dat materiaal zelf warmte opneemt. Temperatuur(warmte) is beweging van atomen simpel gezegd, dus als je warmte verplaatst en atoom blijft botsen tegen elkaar dan blijft er dus beetje energie achter bij elke atoom. Gevolg is dat steeds slechter zal koelen. Koeling blijft dus presteren zoals die eerst moment deed toen die nog koel was.

Even buiten de andere positieve eigenschappen om van grafeen , als je dit koel verhaal vertaald naar metalen koelblok in je pc dan kan je dat beetje vergelijk met dat je pc net hebt aangezet en koelblok dus nog koud is, daarna gaat temperatuur altijd oplopen tot bepaalde hoogste, dat komt dus door dat er wat energie blijft hangen in het metaal, dat oplopen gebeurt nu dus nauwelijks met grafeen.

[Reactie gewijzigd door mad_max234 op 27 juli 2024 11:12]

[B4ron]

Betekent dit niet gewoon dat in 2D de warmtegeleidingscoëfficient maximaal is? Dus dat hitte ongehinderd door structuren kan vloeien. Vergelijkbaar met supergeleiding (waarbij er verlies optreedt door warmteonwikkeling in de kabels). Als de hitte geleiding dan maximaal is, hoef je niet op de chip te koelen, maar kan dit extern (om maar wat te noemen).

[HMC]

Ook maar eens schaamteloze quote uit het eigenlijke onderzoek:

The conduction of heat in two dimensions displays a wealth of fascinating phenomena of key relevance to the scientific understanding and technological applications of graphene and related materials. Here, we use density-functional perturbation theory and an exact, variational solution of the Boltzmann transport equation to study fully from first-principles phonon transport and heat conductivity in graphene, ​boron nitride, ​molybdenum disulphide and the functionalized derivatives graphane and fluorographene. In all these materials, and at variance with typical three-dimensional solids, normal processes keep dominating over Umklapp scattering well-above cryogenic conditions, extending to room temperature and more. As a result, novel regimes emerge, with Poiseuille and Ziman hydrodynamics, hitherto typically confined to ultra-low temperatures, characterizing transport at ordinary conditions. Most remarkably, several of these two-dimensional materials admit wave-like heat diffusion, with second sound present at room temperature and above in graphene, ​boron nitride and graphane.

Het komt er op neer dat dit eerder niet op kamertemperatuur kon, nu dus wel.
Zoals bij supergeleiding en dit hittetransport-experiment kan het allemaal makkelijk op papier en ook in de praktijk, maar via extreme lab-condities, dus met onrealistische temperaturen zoals veels te koud voor real life experimenten.

Vraag voor mij is juist waarom dit dan weer geen .Geek is.

[.ScorpionSquad]

Wat ik een beetje mis in dit artikel is de vraag of dit longitudinaal of transversaal gebeurd? Wezenlijk verschil, hoewel het plaatje transversaal suggereerd.

[Dykam]

Kan je daar wel over spreken? Het gaat geloof ik niet over dat het materiaal ook echt golft, maar dat de warmte (trillingen) zich in golven door het materiaal beweegt.

[Nullius]

Mss een domme vraag maar als je dan een inverse trilling loslaat op het materiaal heb je ook geen warmteproductie meer en heb je meteen je koeling?

[Dykam]

Die trilling is vrij chaotisch, ik had het niet over golftrillingen, maar over golven van trillingen.

[Verwijderd]

juist, zeg maar zoals zomers een hittegolf

[Verwijderd]

Het gaat hier over 2 dimensionaal, dan wordt een longitudinale golf wel moeilijk (aangezien die per definitie een extra dimensie toevoegt). Al beweert de reactie hierboven het tegenovergestelde. Het zou kunnen dat je een horizontale longitudinale golf krijgt, maar dan zou je dus een sinusoide moeten kunnen zien verschijnen in het materiaal.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 27 juli 2024 11:12]

[Crovmon]

Volgensmij verwar jij longitudinaal met transversaal. ;-)

[Crovmon]

In principe zijn fononen vibraties in de kristalstructuur, dus tussen de atomen. Longitudinaal dus, net als geluid, derhalve heet het second sound (behalve dat je in deze vorm thermische energie kunt vervoeren).

[FiRePaTH]

tweedimensionale materialen zoals grafeen

Bedoelen ze hiermee materiaal van 1 atoomlaag dik oid

[Polbeer91]

Yep, grafeen is een structuur van koolstofatomen van precies één laag dik

[beascob]

Je hebt gelijk, tweedimensionaal is eigenlijk zonder dikte, hier is nog een dikte van 1 atoom/ molecuul . Ik zou het semi tweedimensionaal noemen. maar die dikte is wel heel strak 1 laag.

[john molotov]

vandaar het woord "hittegolf"

[Happy Meal]

Tsja, dat heeft men zonder het te weten goed geformuleerd.
Met de kennis van nu is dat als briljant of als volkswijsheid te categoriseren.

[Utopia437]

Het is niet belangrijk of het materiaal mee golft. Het gaat om de fononen, die bewegen zich als golf vs. chaotisch. Dus daar zit ook het verlies in.

[RoyD]

Er is geen warmteverlies alleen warmteweerstand c.q. warmtegeleiding. En de warmteweerstand is blijkbaar heel laag, dus de temperatuurverschillen tussen 2 uiteinden zullen minimaal zijn.