Illustration
Det mikroskopiska materialet består av ultratunna kristallina lager staplade ovanpå varandra, där varje lager är något roterat. Värmeflödet hindras mellan lagren, medan värmeflödet inom lagren finns kvar. Tekniken ger ett material som är extremt bra på att både hålla uppe värmen och förflytta den åt olika håll. ​​​​​
​ Illustration: Neuroncollective.com (Daniel Spacek, Pavel Jirak), Chalmers

Nytt material leder värme och isolerar – på en och samma gång

​Forskare på Chalmers har deltagit i en studie av ett nytt supertunt material som på en och samma gång är både en värmeledare och en isolator. Materialet skulle kunna användas i elektronik för att skydda värmekänsliga komponenter och även öppna dörrar för utvecklingsmöjligheter på teknikfronten. Forskningsresultatet presenterades nyligen i Nature.​
Vid användningen av en elektrisk pryl alstras värme. En utmaning med detta är att leda bort värmen så att det inte skapas värmekluster som skadar känsliga delar i produkten. Ny forskning visar nu på ett nytt material som på en och samma gång kan användas för att transportera värme och isolera, dock i olika riktningar – en egenskap som skulle kunna ha praktiska tillämpningar inom elektronik och annan teknik.

Forskningsresultatet, som nyligen presenterades i en artikel i den vetenskapliga tidskriften Nature, är ett samarbete mellan forskare vid University of Chicago, Chalmers tekniska högskola, University of Illinois at Urbana-Champaign och Cornell University.

Forskargruppen vid University of Chicago har skapat ett mikroskopiskt material så kallat 2D-material, mindre än tio nanometer tjockt, som består av ultratunna kristallina lager staplade ovanpå varandra. Vanligen består material i elektriska prylar av regelbundna, upprepande kristaller i vilket både ström och värme förflyttar sig fritt. Men i det material som forskarna här undersökte, är varje kristallint lager något roterat, ungefär som om du skulle slarvigt stapla lasagneplattor i en hög. På så sätt får atomerna en regelbunden struktur i en riktning men inte i den andra. Värmeflödet hindras mellan lagren, medan värmeflödet inom lagren finns kvar. 

Ett kraftfullt och tunt material

Tekniken ger ett material som är extremt bra på att både hålla uppe värmen och förflytta den åt olika håll – något som är ovanligt i denna minimala skala. 

–  Vanligtvis krävs två material: ett som leder värme och ett som isolerar från värme. Det här materialet gör både och, på en och samma gång. På ena sidan av materialet sprids värmen obehindrat, på andra sidan är det svalt. Materialet har den högsta ration av ledningsförmåga i olika riktningar av alla material någonsin, säger Paul Erhart, biträdande professor vid institutionen för fysik på Chalmers, och en av huvudförfattarna till artikeln.

Och samtidigt som materialet är kraftfullt, är det också så tunt att ljus kan passera genom det. Materialet skulle till exempel kunna skydda batterier eller mikrochip från överhettning, genom att leda värmen bort från dem – samtidigt som det inte skulle ta upp utrymme i produkten, vilket är en fördel då komponenter blir allt mindre och mindre. Materialet skulle exempelvis också kunna leda till bättre och mer högpresterande datachip, då man skulle kunna använda det för att pusha högre strömstyrkor genom dem.

Modeller ligger till grund för förbättringar

Medan forskarna i USA har utfört experimenten på materialet för studien, har fokus för forskargruppen vid Chalmers legat på att förklara varför materialet beter som det gör – och ge förslag på olika slags förändringar för att förbättra materialets egenskaper. Det har gjorts genom att de skapat en datormodell av materialet, i vilken man utför simulationer och observationer.

–  Modellen blir som ett slags supermikroskop där man kan observera varje atom för sig; hur de beter sig och hur de rör sig mot varandra på mikroskopisk skala. Det vi föreslår efter dessa observationer ligger till grund för de olika experiment som utförs, säger Paul Erhart.

Öppnar för helt nya inriktningar

Det material som forskarna studerat har byggts upp av molybdendisulfid, men de ser inga hinder för att tekniken skulle kunna tillämpas även för andra 2D-material. Forskningsresultatet kan leda till att man i elektronik skulle kunna börja använda material som i dagsläget anses vara för värmekänsliga. Jiwoong Park är en av huvudförfattarna i studien och professor i kemi och molekylär teknik vid University of Chicago:

–  Kombinationen av utmärkt värmeledningsförmåga i en riktning och utmärkt isolering i den andra riktningen existerar inte alls i naturen. Vi hoppas att detta kan öppna för en helt ny inriktning i tillverkningen av spännande värmeledare, säger Jiwoong Park.

Mer om den vetenskapliga artikeln:

  • Artikeln Extremely anisotropic van der Waals thermal conductors, Kim et al, publicerades i Nature, 29 september 2021, och är författad av Shi En Kim, Fauzia Mujid, Akash Rai, Fredrik Eriksson, Joonki Suh, Preeti Poddar, Ariana Ray, Chibeom Park, Erik Fransson, Yu Zhong, David A. Muller, Paul Erhart, David G. Cahill och Jiwoong Park.
  • Läs University of Chicagos pressmeddelande om forskningen: UChicago scientists create material that can both move and block heat
  • Svenska finansiärer: Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse (2014.0226), Vetenskapsrådet (2015-04153 and 2018-06482), FLAG-ERA JTC-2017-projektet MECHANIC som finansierats av Vetenskapsrådet (VR 2017-06819). Datorberäkningarna har gjorts vid Swedish National Infrastructure for Computing, NSC (Linkӧping) och C3SE (Göteborg).

För mer information, kontakta:
Paul Erhart, biträdande professor vid avdelningen Kondenserad materie- och materialteori, institutionen för fysik, Chalmers
erhart@chalmers.se, 031-7723669 

Text: Lisa Gahnertz och Louise Lerner, University of Chicago
​ Illustration: Neuroncollective.com (Daniel Spacek, Pavel Jirak), Chalmers​

Sidansvarig Publicerad: ti 11 jan 2022.