Aki régebbi laptopot vagy PC-t használ, az valószínűleg jól ismeri a nem megfelelő hűtési rendszer miatt túlmelegedő eszközök visítását és az akadozó masina szeszélyességét. De a túlmelegedés nem csak a régi gépeknél, hanem az elektromos készülékek lényegében bármilyen használati területén gondot okozhat, a nagy igénybevételnek kitett szerverparkoktól kezdve, az egyszerű, hétköznapi mobiltöltésig bezárólag. Mikor nem is olyan régen a vízhűtéses rendszer lekerült a luxuskiegészítők listájáról és mindenki számára megfizethetővé vált, az nagy előrelépést jelentett a számítógépek hűtési technikájában, 2013-ban pedig megjelent az első folyadékhűtéses mobiltelefon is, a NEC Medias X N-06E-je, azonban ez csak amolyan védelmi vonalnak számított a túlmelegedés elleni küzdelemben, csodát nem lehetett várni tőle. Az ideális vezető az lenne, amely hatásosan elirányítaná a hőt a berendezéstől, miközben nem engedné, hogy a meleg egy része merőleges irányba megszökjön.

A Tokiói Egyetem Shingi Yamaguchi által vezetett kutatócsoportjának most sikerült megalkotnia azt a szén nanocsövekből álló anyagot, mely pontosan ezt teszi.

A szén nanocsövek, melyek a gyémánthoz vagy grafithoz hasonlóan a szén allotrop módosulatai, rendkívül jó vezető képességgel rendelkeznek, ezt a tudósok már régen felfedezték. A hagyományosan használt rézzel szemben, melynek 400 W/(mK) a hővezetési tényezője, a nanocsövecskék ennek több mint kétszeresére, 1000 W/(mK) vezetésre képesek. Amiért eddig nem tudták megfelelően kihasználni ezt a tulajdonságot a mérnökök, az a nanocsövek „magányos” természetével magyarázható, míg önállóan jó vezetők, egymáshoz kapcsolódva veszítenek képességeikből. Ezt a nem megfelelően összehangolt, erratikus rendeződés okozza. Megfigyelték, hogy a kísérletek során az alapnak használt műanyaglapon a nanocsövek gyengén illeszkednek egymáshoz, így a hő egy része távozik, miközben egyik csőről a másikra ugrál.

„Nagyon fontos, hogy kiküszöböljük ezeket a szerkezetbeli tökéletlenségeket, hogy minél jobbal kihasználhassuk az egyéni szén nanocsövek jó hővezető képességeit a sorba rendezett szén nanocső rendszerekben.” – mondja Yamaguchi.

A megoldás nagyon egyszerű: meg kell szüntetni a kaotikus rendeződést és össze kell hangolni a kapcsolódásokat. Erre pedig megtalálták a megfelelő módszert, a vákuumszűrést. A nanocsöveket először beleengedik egy felületkezelővel vegyített folyadékba, melynek felületi feszültségét csökkenti a hozzáadott anyag. Figyelni kell a nanorészecskék számára, nem lehetnek túl sokan, de a megfelelő koncentrációban maguktól megkezdik a spontán sorbarendeződést, sűrű, jól illeszkedő, kristályhoz hasonló szerkezetet alkotva. Ezután a folyadékot óvatosan kiszippantják egy vákuumszűrő segítségével, ami pedig hátramarad az a vékony lemeznyi nanocső konstrukció, melynek átlag feletti a hővezető képessége.

Az átlag felettit egyelőre nem a hővezető tényezőre kell érteni, az ugyanis mindössze 43 W/(mK), vagyis jóval kevesebb a réznél, nagyjából az ólom/bádog szintjén mozog. A szuperképessége az aszimmetriájában rejlik.

Az aszimmetrikus felépítés a nanocsövek speciális tulajdonságának köszönhető, egymás között gond nélkül tudják közvetíteni a hőt, azonban hosszában meglehetősen rosszul vezetnek, így a hőáramlási irányra nézve merőleges hőleadás mindössze 0.085 W/(mK), vagyis ötszázszor olyan jól vezetnek az egyik irányba, mint a másikba. Ez a tulajdonságuk aranyat érhet a jövőben, ha sikerül megoldani az alacsony hővezető tényező problémáját, de a kutatók már tisztázták, hogy ezt a nem várt gyenge szintet mi is okozza. Minden ugrás, amit a hőnek meg kell tennie két cső között, a kondukciós képesség csökkenésével jár. A kísérletben használt nanocsövek csak 200 nanométer hosszúságúak voltak, vagyis a megoldás: hosszabb építőelemeket kell használni, hogy kevesebb ugrásra legyen szükség.

„ Az eredmények arra utalnak, hogy a hővezető képesség a szén nanocsövek rendeződésének irányában nagyban növekedhet hosszabb alkotórészek felhasználásával.” – mondja Yamaguchi.

A spontán önrendeződés problémásabbá válhat ugyan a terjedelmesebb elemek bevonásával, de a kísérletezések már zajlanak. A kutatások pedig ez után már remélhetőleg akadály nélkül vezethetik a tudósokat egyenes irányban az újfajta, az elektronikai iparba akár forradalmat hozó anyag megalkotásáig.

(Forrás: MIT, Fotó: Flickr/lsydney, Wikimedia Commons, Pixabay)