Исследователи из Технологического института Джорджии (Georgia Tech) и Говардского университета (Вашингтон, округ Колумбия) показали, что наночастицы двуокиси кремния, покрытые полимером с высокой диэлектрической проницаемостью, могут обеспечить недорогой способ эффективного охлаждения мощной электроники, светодиодов и других устройств с активным тепловыделением.

Итоги работы, включавшей экспериментальную и теоретическую части, изложены в последнем номере журнала Materials Horizons и в выпуске Science за 8 июля.

В последние несколько лет появились теоретические статьи, предсказывавшие способность поверхностных фононных поляритонов увеличивать теплопроводность наноматериалов, состоящих из полярных материалов, таких как двуокись кремния. Поляритоны это составные квантовые квазичастицы, образующиеся при взаимодействии электромагнитных волн с возбуждениями среды, в данном случае, с оптическими фононами. При размерах объекта менее 100 нм его поверхностные свойства преобладают над объёмными, благодаря чему тепловые фононы с помощью сопряжённых электромагнитных волн могут распространяться в плотно спрессованном массиве наночастиц.

Авторы сначала наблюдали такое волновое распространение при падении света на поверхность наноструктурированного материала, а затем обнаружили, что тот же эффект возникает при нагреве плотной массы наночастиц.

«Нами впервые было показано, что при использовании наночастиц определённого типа их не требуется освещать, — рассказал Баратунде Кола (Baratunde Cola), адъюнкт-профессор Georgia Tech. — Можно просто нагреть наночастицы и эффект активируется тепловым самоизлучением, образующим электрическое поле вокруг них».

Двуокись кремния была выбрана так как её кристаллическая решётка генерирует резонансные оптические фононы при температурах, близких к комнатным. Для превращения объёма, заполненного наночастицами SiO2, то есть обычным песком, в проводник авторы сначала использовали воду, а впоследствии переключились на этиленгликоль — известный автомобильный антифриз. Такая комбинация позволила увеличить теплопередачу в 20 раз, примерно до 1 Вт/м К. Это выше, чем теплопроводность этиленгликоля и наночастиц по отдельности и сравнимо с характеристиками дорогих полимерных композитов, используемых для отвода тепла.

«Вы можете взять электронное устройство, заполнить все свободное пространство внутри него наночастицами, покрытыми этиленгликолем, и они будут действовать как теплоотвод, являющийся одновременно электрическим изолятором», — заявляет Кола.

Учеными намечены дальнейшие эксперименты для исследования того, как этот коллективный наноэлектромагнитный эффект проявляется в больших объёмах материала. Кроме того необходимо убедиться, что надежность электроники не страдает от такого способа охлаждения. Для практических целей требуется также заменить испаряющийся этиленгликоль более стабильным полимером.