Marylandi Ülikoolis töötav teadlaste rühm avastas uudse nähtuse: kui elektrivool läbib süsinikust nanotorusid, soojenevad lähedal asuvad objektid, samas kui nanotorud ise jäävad jahedaks. See nähtus meenutab rösterit, mis soojendab leivaviile ilma ise kuumenemata. Selle täiesti ootamatu uue fenomeni mõistmisel võib olla võimalik ehitada arvutiprotsessoreid, mis oleksid võimelised töötama suurel kiirusel ilma üle kuumenemata.
„Me vaatlesime uut fenomeni, mis esineb üksnes nanoskaalas. See on täielik vastand meie intuitsioonile ja teadmistele Joule’i soojenemisest suuremas skaalas – näiteks rösteri taolistes seadmetes,“ väitis artikli esimene autor Kamal Baloch. „Elektronid põrkuvad nanotorudes millegagi kokku, kuid mitte aatomitega. Mingil põhjusel vibreerivad ja kuumenevad selle asemel naabruses asuva aine – räninitriidist aluse – aatomid,“ vahendas Phys.org.
Nanotorude esindus. Pilt: UMD
„See mõju on veidi kummaline,“ tunnistas professor John Cumings, kes koos Balochiga andis fenomenile hüüdnimeks „kauge Joule’i soojenemine“.
Ebareaalne avastus
Uurijate jaoks oli kõnealuse avastuse kogemus seesugune, mida võks tunda inimene, kes näiliselt tavalisel hommikul hommikusööki tehes avastab, et teatud sündmused paistavad rikkuvat tavapärast reaalsust. Näiteks kõrbeks ära röstsai, kuid röster oleks külm. Või oleks pliit lülitatud kuumale temperatuurile ja teekann vilistaks, kuid põleti poleks kuum.
Baloch, Cumings ja kolleegid ei olnud aga köögis hommikusööki valmistamas. Teadlased viisid läbi katseid Marylandi Ülikooli elektronmikroskoopia asutuses. Nad kordasid oma katseid, jõudes sama tulemuseni: suunates elektrivoolu läbi süsinikust nanotoru, kuumenes selle all olev alus piisavalt, et sulatada selle pinnal olevaid metallist nanoosakesi, kuid nanotoru ise paistis jäävat jahedaks – niisamuti kui nanotorule kinnitatud metallist ühenduskohad. Uurijad viisid nanotorust läbi elektrivoolu, mis oleks pidanud seda soojendama, kuid ei teinud seda. Seega näitasid uurimustöö tulemusena saadud andmed midagi, mis ei tundu teadlastele loogilisena.
„Joule’i soojenemisena“ tuntud nähtus näeb ette, et metalljuhet läbiva elektrivoolu tõttu põrkuvad elektronid aatomitest eemale, pannes need oma kohal vibreerima. Need vibratsioonid tekitavad soojust. Iga elektrit juhtiva juhtme puhul peaks see mõju avalduma, muuhulgas rösterite ja föönide kütteelementides. Süsinikust nanotorud on teadaolevalt elektrijuhid, justkui nanoskaalas metalltraadid. Seega ootasid Baloch ja Cumings sama efekti ilmnemist, kui nad suunasid elektrivoolu läbi süsinikust nanotoru.
Nad kasutasid Cumingsi laboris välja arendatud tehnikat, mida nimetatakse elektron-termomikroskoopiaks. Selle abil kaardistatakse soojuse genereerimise kohad nanoskaala-elektriseadmetes, et vaadelda elektrivoolu mõju nanotorule. Teadlased arvasid, et soojus levib piki nanotoru kuni selle külge kinnitatud metallist ühenduskohtadeni. Selle asemel paistis soojus „hüppavat“ otsejoones nanotorude all oleva räninitriidist alusele, mis soojenes, kusjuures nanotoru jäi suhteliselt jahedaks.
Kuidas on see võimalik, et nanotorude elektronid panevad vibreerima aluse aatomeid, kui neid eraldab vahemaa, isegi kui see on vaid nanomeetrite pikkune? Baloch ja Cumings spekuleerivad, et sellega on seotud „kolmas osapool“ – elektriväljad. „Me usume, et nanotorude elektronid loovad neid läbiva elektrivoolu tõttu elektrivälju ja aluse aatomid reageerivad otse elektriväljadele,“ selgitas Cumings. „Energia ülekanne toimub nende vahendajate kaudu, mitte selle tõttu, et nanotoru elektronid põrkuvad aluse aatomitega kokku. Ehkki siin võib olla sarnasust mikrolaineahjuga, on nende kahe fenomeni taga olev füüsika tegelikult väga erinev.“
Baloch lisas, et kauge Joule’i soojenemise mõjul võib olla kaugeleulatuvaid järelmeid arvutustehnoloogias. „Hetkel piirab arvutiprotsessori sooritusvõimet kiirus, millel see töötada võib. Kiirust piirab tõsiasi, et protsessor kuumeneb üle,“ selgitas ta. „Kui oleks võimalik leida meetod soojuskao tõhusamaks eemaldamiseks, võiksid protsessorid töötada kiiremini. Transistor, mis ei eralda iseendas energiat soojusena, nagu meie katses nanotorud, võiks praeguseid piiranguid märkimisväärselt muuta. Selline uus soojustranspordi mehhanism võimaldaks kavandada eraldi soojusjuhi ja elektrijuhi, valides kummagi jaoks parimad võimalikud omadused. Sellisel juhul poleks vajalik, et need kaks juhti oleks valmistatud samast ainest ja need ei peaks asetsema samas ruumipiirkonnas.“
Hetkel ümbritseb fenomeni, mida on vaadeldud ainult nanoskaalas ja ainult süsinikust ainete puhul, endiselt salapära. Järgmiste astmetena määratakse, kas see efekt esineb ka teiste materjalide puhul, ja kui nii, siis mis on selle esinemiseks vajalikud omadused. „Me teame nüüd, et räninitriid võib sel viisil neelata energiat elektrivoolu kandvast nanotorust, kuid me sooviksime katsetada ka teisi aineid, näiteks pooljuhte ja teisi isolaatoreid,“ selgitas Cumings. „Kui saame tõeliselt aru selle fenomeni tööpõhimõttest, saaksime alustada uue põlvkonna nanoelektroonika kavandamist, milles oleks soojuse juhtimine integreeritud.“
Käesolev avastus avaldati teadusajakirja Nature Nanotechnology internetiväljaandes.
Teadusartikkel: „Remote Joule heating by a carbon nanotube“
Leave a Reply