Specjalne cząstki zwiększą wydajność elektrowni?

Specjalne cząstki zwiększą wydajność elektrowni?

Czasami prosta decyzja, aby spróbować czegoś niekonwencjonalnego może prowadzić do znacznego odkrycia.

Znany sposób wytwarzania radiatorów dla elektroniki jest zwany procesem spiekania i polega na formowaniu sproszkowanego metalu do określonego kształtu, a potem ogrzaniu go w próżni, by związał. W jednym z eksperymentów uczniowie próbowali spiekać w powietrzu, co okazało się dużym zaskoczeniem.

Zamiast oczekiwanego kształtu litego metalu, otrzymali masę cząsteczek, które pokryte były utlenioną miedzią. „Efekt ten był nieoczekiwany”, powiedział Kripa Baranasi, adiunkt profesora Arbeloff’a na wydziale Mechaniki w MIT. „Cząstki te są pokryte nanodrutami.”, podsumowuje.

Rezultaty mogą okazać się ważne dla nowej metody produkcji konstrukcji, które obejmują zakres rozmiarów od kilku nanometrów. „Krok dzieli lity sferyczny proszek od bardzo skomplikowanych struktur.”, mówi Christopher Love, absolwentka inżynierii mechanicznej, która jest autorką odkrycia. „Proces jest bardzo prosty, a struktury trwałe.” Mogą one być wykorzystywane do zarządzania przepływem ciepła w różnych zastosowaniach, począwszy od zespołu napędowego do chłodzenia elektroniki.

Nie tylko cząstki pokryte cienkimi drutami, ale mnóstwo przewodów okazało się zależnych od wielkości oryginalnych cząsteczek miedzi. „Jako pierwsi obserwujemy to, że utlenianie zależy od wielkości cząsteczek miedzi,” mówi Varanasi. Oznacza to, że naukowcy mogą łatwo syntetyzować porowate struktury na różnych poziomach: cząstki mniejsze niż proszek do spiekania, a większe przy wzroście nanodrutów.

Odkrycie zostało opublikowane w czasopiśmie RSC Nanoscale.

Takie struktury hierarchiczne mogą być bardzo efektywne dla zarządzania ciepłem. Mogą chłodzić wszystko od mikroprocesorów do kotłów w elektrowniach. Mogą nawet okazać się przydatne w inżynierii energii geotermalnej, która przedstawia się jako obiecujące alternatywne źródło energii. Ponieważ struktury wynikowe da się w łatwy sposób kontrolować, można zoptymalizować je do kontroli zjawisk zachodzących na różnych długościach i w czasie.

Podczas, gdy wzrost nanodrutów na miedzianej blasze, zaobserwowano już wcześniej, Varanasi mówi, że po raz pierwszy proces ten został kompleksowo przenalizowany i wyjaśniony we wszystkich skalach. „Było kilka teorii na temat wzrostu tych nanodrutów, ale teraz ustalono dokładnie mechanizm działania. Dzięki dyfuzji, cząstki pozostają puste w środku, a metal migruje na zewnątrz.”

Zespół bada obecnie proces z innymi materiałami. Na przykład, jak działa z cyrkonem – materiałem używanym jako okładziny prętów paliwowych w reaktorach jądrowych. Może się to przyczynić do polepszenia wymiany ciepła. W reaktorach jądrowych, w których proces ten napędza turbiny i produkuje energię, takie rozwiązanie może zwiększyć ogólna ich wydajność.

Według Varanasi’ego prócz zarządzania ciepłem, wyniki te mogą przyczynić się do optymalizacji niektórych procesów katalitycznych.

Suresh Garimella, profesor inżynierii mechanicznej w Purdue University, który nie był zaangażowany w te badania, twierdzi, że „proste i potencjalnie opłacalne metody wzrostu sprawiają, że wyniki są bardzo obiecujące w zastosowaniach dotyczących ciepła i katalizy.”

Brent Segal, szef działu badań w firmie Lockhead Martin Nanosystems, powiedział, że „to znaczące prace w dziedzinie kontrolowania właściwości elektrycznych i termicznych. Materiałów, a nawet ich właściwości optycznych. Taka kontrola w skali mikro i nano nigdy nie była osiągalna w jednym procesie.”

Segal ma zamiar w swoich 100 laboratoriach rozsianych po całym świecie testować 75 innych materiałów, które podda temu procesowi.

Praca została wsparta przez MIT Deshpande Centre, DARPA Young Faculty Award, MIT Energy Initative oraz stypendium badawcze National Science Foundation.

(rr)