Научные исследования и технические разработки
по физике. Новости, факты, люди, интервью. Теория и практика.
Каталог статей. Каталог ссылок. Форум. Научно-технические разработки.
Документация, библиотека.
Палата мер и весов. Работа
для физиков. Юмор, сатира, лирика.
В лаборатории Массачусетского технологического института был опробован новый температурный метод управления электро- и теплопроводностью
Физическим основанием предложенного способа стал фазовый переход «твёрдое тело — жидкость». Поскольку он не связан с интересовавшим учёных переходом «металл — диэлектрик», в тестируемую жидкость пришлось добавлять наночастицы. При её замерзании и образовании кристаллов частицы выталкиваются к межзёренным границам, в результате чего область контакта между частицами увеличивается, и это приводит к возрастанию теплопроводности и электрической проводимости.
Для того чтобы продемонстрировать возможности методики, физики приготовили суспензию графита, пластинки которого имели диаметр в несколько микрометров и нанометровую толщину, в гексадекане — углеводороде с очень удобной температурой плавления (18 ˚C). Стабильность полученных образцов оказалась вполне удовлетворительной: во время осмотра суспензии, оставленной в покое на три месяца, никакого осадка обнаружено не было.
Суспензия графита в гексадекане (объёмная доля графита — 0,2%), помещённая под оптический микроскоп. Масштабная полоска — 200 мкм. На врезке показана баночка с суспензией, три месяца простоявшая на полке. (Здесь и далее иллюстрации из журнала Nature Communications.)
Измеряя удельную электропроводность образцов, авторы выяснили, что в диапазоне 18,5–17,5 ˚C она меняется на два порядка, сохраняя одно из двух устойчивых значений при меньших и бóльших температурах. Наибольшая амплитуда вариации — 250 раз — была зарегистрирована в тех условиях, когда объёмная доля графита составляла около 0,8%. На первом периоде циклических колебаний температуры, заданных в эксперименте, амплитуда изменения электропроводности достигала максимума, после чего несколько уменьшалась и приходила к постоянной величине.
То же можно сказать и об удельной теплопроводности. Правда, она изменялась не так сильно, увеличиваясь при понижении температуры всего в два или три раза.
Такой метод, естественно, будет работать и для других комбинаций жидкости и частиц, что позволяет задавать самые разные температуры перехода. Доказательством этого служат результаты опытов с суспензиями графита в воде и углеродных нанотрубок в гексадекане.
Правильно подобранная комбинация материалов может использоваться в качестве надёжного предохранителя. В нормальных условиях она будет иметь низкое сопротивление, но при опасном разогреве электронной схемы сопротивление начнёт увеличиваться, и вскоре протекание тока будет остановлено. Оператору даже не придётся вмешиваться в работу защищаемой схемы: когда температура вернётся в норму, сопротивление предохранителя уменьшится автоматически.
Изменение удельных электро- и теплопроводности образцов при увеличении температуры. Разные цвета соответствуют разным объёмным долям графита.
Результаты измерений для суспензии графита в воде (слева) и углеродных нанотрубок в гексадекане. Объёмные доли графита и нанотрубок равны 1%.
