Materiaal met eenrichtingsverkeer voor warmte-afvoer

Wetenschappers in het Italiaanse Como hebben een materiaal uitgedacht, dat warmte in slechts één richting zou geleiden, schrijft Nature. Dit als een soort van 'warmteventiel' werkend materiaal zou moeten worden opgebouwd uit een eendimensionale keten van moleculen. Normaal wordt hitte afgevoerd in alle richtingen door trillende moleculen, maar door het ene uiteinde van een keten stijver te maken dan het andere, zou de trilbeweging - en daarmee de warmteverspreiding - in een vooraf bepaalde richting kunnen worden gedwongen.

Theoretisch gezien zou dergelijk materiaal onderdelen van microcircuits kunnen koelen, of kanaliseren naar chemische reactors ter grootte van een chip, welke reeds in ontwikkeling zijn. Ook zou het als warmte-isolator kunnen dienen. Sommige biologische moleculen, zoals DNA-strengen, zouden de vereiste eigenschappen kunnen hebben. Mogelijkerwijs reguleren levende cellen op deze manier al warmtestromen. Hieronder nog wat nadere uitleg door Nature over de werking van warmtegeleiding in moleculen:

Heat is conducted along a chain of particles because vibrations travel from one particle to the next. If one end is attached to a hot material and the other to something cooler, the hot end jiggles more. This jiggling goes down the chain to the cool end.

A chain of particles of identical weights linked by ideal, so-called 'harmonic' springs vibrates at the same frequency irrespective of the amplitude of the vibrations. In real chains, like DNA, the links are not ideal, but anharmonic: their vibration frequency depends on amplitude.

One-way heat transfer would make use of anharmonicity. A chain divided into three sections, say Terraneo's team, can insulate heat if the middle section acts like a strongly anharmonic spring while the outer two are softer and more harmonic.

If one of the end sections is stiffer than the other, more heat can flow in one direction than the other. The anharmonic middle of the chain can jiggle in sympathy with the stiff end when it is cold and the soft end when it is hot - but not vice versa. So the chain transmits heat from a hot, soft end to a cool stiff end. If the stiff end gets hot and the soft cold, the middle section blocks vibrations, so the chain as a whole acts as an insulator.

Verwijderd bood ons nieuwslab als eerste dit bericht voor nader onderzoek aan.

Reacties (39)

[Verwijderd]

Klinkt goed een diode voor warmte enkel vraag ik me af of het al theoretisch mogenlijk is om dit op grote schaal te produceren en welke metalen er precies worden gebruikt bij de productie van dit soort warmte geleiders.
Indien het al mogenlijk is om zulk soort dingen op grote schaal te ontwikkelen verwacht ik op korte termijn binnen 1 a 2 jaar een grootschalige productie, maar ik denk dat de uitvinding eerst voor specifieke doeleinden als bijvoorbeeld (CPU)koelers verder moet worden fine-tuned moet worden...en verder verwacht ik dat de productie van dit soort materiaal in koelings apparatuur mischien 2 of 3 keer zo duur zal zijn aangezien het materiaal eerst moet worden geprepareerd maar verder verwacht ik niet veel moeite kwa productie, aangezien het al stukken langer mogenlijk is om moleculen te rangschikken op bepaalde wijzen, enkel het onderzoek naar het fine-tunen flink geld kosten!

[Cookie]

Indien het al mogenlijk is om zulk soort dingen op grote schaal te ontwikkelen verwacht ik op korte termijn binnen 1 a 2 jaar een grootschalige productie,

Waar heeft U het over? Ze zitten alleen nog maar in de theoretische fase volgens mij, nog niet eens in de laboratoriumfase, laat staan in de kleinschalige productiefase. Over een grootschalige productiefase kunnen ze voorlopig alleen maar dromen IYAM (if you ask me).

[mr_a]

Even aanvullen op Cookie en Swinnio hieronder:

Marcello Terraneo of Insubria University in Como, Italy, and colleagues suggest that the valve material would be a one-dimensional solid: a chain of linked particles such as atoms. The chain would be designed to shake in different ways, depending on which end it is vibrated from.

Strung together in the right way, some biological molecules, such as DNA strands, might have the required properties, the researchers speculate.
[...]
A chain divided into three sections, say Terraneo's team, can insulate heat if the middle section acts like a strongly anharmonic spring while the outer two are softer and more harmonic.

Met andere woorden, ze hebben globaal een schema uitgedacht maar er is nog helemaal geen onderzoek naar materialen gedaan. Er zijn nog geen materialen bekend waarvan men weet dat dit principe werkt.

Dus er is ook nog niets getest. Misschien dat een ander team (bijv. experimentele natuurkundigen) ergens in de komende paar jaar ook daadwerkelijk een materiaal gaat bouwen waarmee ze dit kunnen testen. Dat blijft dan in de cleaning room. Het is echt volslagen zinloos nu al naar productie te kijken, er is namelijk nog niet bekend wat er dan geproduceerd moet worden!

(ikzelf vind dit interessant nieuws, maar getuige de reacties denk ik niet dat het verstandig is dit op Tnet te posten.. )
edit: Swinnio toegevoegd

[Swinnio]

Klinkt goed een diode voor warmte enkel vraag ik me af of het al theoretisch mogenlijk is om dit op grote schaal te produceren en welke metalen er precies worden gebruikt bij de productie van dit soort warmte geleiders.

Je bent vast niet de enige, maar de onderzoekers zullen er goede hoop hebben; anders gaan ze er echt niet mee door. Uiteindelijk is elke vorm van research erop gericht om geld mee terug te verdienen. Dat lukt vaak alleen in massaproductie.

Indien het al mogenlijk is om zulk soort dingen op grote schaal te ontwikkelen verwacht ik op korte termijn binnen 1 a 2 jaar een grootschalige productie, maar ik denk dat de uitvinding eerst voor specifieke doeleinden als bijvoorbeeld (CPU)koelers verder moet worden fine-tuned moet worden...en verder verwacht ik dat de productie van dit soort materiaal in koelings apparatuur mischien 2 of 3 keer zo duur zal zijn aangezien het materiaal eerst moet worden geprepareerd maar verder verwacht ik niet veel moeite kwa productie, aangezien het al stukken langer mogenlijk is om moleculen te rangschikken op bepaalde wijzen, enkel het onderzoek naar het fine-tunen flink geld kosten!

Je verwacht een hele hoop, maar het is mij een raadsel waar je het op baseert. Hoezo binnen 1 a 2 jaar al grootschalige productie? Dat lijkt me haast onmogelijk, zoals Cookie ook al zegt. En waarom wordt dit materiaal 2 a 3 keer zo duur? Wat weet jij wat wij niet weten Het staat allemaal heel interessant, maar IMHO speculeer je maar wat en is het nergens op gebaseerd.

/edit: wat nou "overbodig"? Mijn post stond er ruim voor die van mr_a!
/edit2: mr_a bedankt

[Verwijderd]

maarre.. als je aan de ene kant een snel trillend (=goed warmtegeleidend) materiaal hebt, en aan de kant van de processor een minder snel trillend materiaal (=isolator), dan koelt dit de processor toch bar slecht? Integendeel, het zou juist als isolator werken! Of denk ik nu scheef?

[TD-er]

Je moet het meer zien als een trechter.
Bij de trillende kant is de opening vaak groter dan de andere kant.
Oftewel het kan d'r aan een kant wel in, maar van de andere kant niet.

[AlterEgoo]

Dit is interessant. Is de volgende stap waarschijnlijk om de aftevoeren warmte weer om te zetten in bruikbare energie. Immers als er sprake is van een 'stoom', kun deze kanaliseren. Dus ook weer gebruiken om bijvoorbeeld spec. onderdelen draaiende te houden.
Ik zie dit dus als een ontwikkeling die CPU's uiteindelijk (niet alleen koeler, maar ook) zuiniger met energie maakt, waardoor het hele zaakie weer op een hoger niveau ingesteld kan worden.

[Verwijderd]

Ik zie dit dus als een ontwikkeling die CPU's uiteindelijk (niet alleen koeler, maar ook) zuiniger met energie maakt, waardoor het hele zaakie weer op een hoger niveau ingesteld kan worden.

Alleen als de geleiding van het materiaal (Watt aan warmte gegenereerd / tijdseenheid) hoger blijkt te zijn dan bv. koper. Dat warmte maar een kant op kan hoeft niet te betekenen dat de warmte snel wordt afgevoerd.

[Verwijderd]

Hmm, als je dan de warmte van de proc e.d. naar de kast laat lopen met dat spul, en de kast dan lekker warm wordt, heb je ten eerste een leuk kacheltje, en ten tweede heb je een lekker groot oppervlak wat gekoeld moet worden, een groot oppervlak koelen is makkelijk te doen met weinig herrie.

leuke uitvinding voor stille pctjes

* 786562 Hawks

[Whieee]

moet het wel eerst uitontwikkeld worden, en dat zal nog wel ff duren...
Zal ook wel veel kosten net zoals dat PixieDust van IBM...

[Verwijderd]

Grappig dat iedereen gelijk aan een processor applicatie denkt, terwijl dit een veel grotere impact heeft dan dat.

Je kan je voorstellen dat dit overal in verwerkt zou worden, radiatoren, isolatiematerialen, koeling voor turbines/kerncentrales, hitteschilden voor een raket/shuttle/vliegtuig, zonverwarmde milieuvriendelijke ketels, kleding voor extreem lage temperaturen en zo zullen er nog ontelbaar legio mogelijkheden zijn.

Een zeer interessante ontwikkeling, niet alleen voor pc- en processortoepassingen.

[tweakerbee]

Een tweaker is de hele dag bezig met z'n PC'tje, dus zo vreemd is dat niet
Het zou me niet eens verbazen als de helft niet meer weet wat zonlicht is

[TD-er]

Zoals JKF al enigszins aangegeven heeft, zal dit warmteventiel een hogere warmte weerstand hebben dan bijv. koper, maar ik vraag me af in hoeverre dat van invloed is, want er vloeit in princiepe geen warmte terug.
Wat wel een probleem zou kunnen zijn, is dat er te veel stress op de core zou kunnen komen, doordat niet alle plekken van de core even veel warmte genereren. Als de warmte afvoer vrij goed zal zijn, zul je krijgen dat er binnen de core een groter verschil in temperatuur zal optreden dan nu het geval is.
Dit zou eventueel op te lossen zijn, door over de core eerst een heatspreader te plaatsen, waardoor je de warmte in de core eerst verspreid.
Dit is alleen volgens mij niet de bedoeling hiervan, want als je het artikel goed leest, staat er dat het tot op chip-niveau geschikt is en ik denk dat het vrij veel duurder wordt om het later alsnog op bijv een heatspreader te plaatsen.

Verder staat er geen informatie over de maximale grootte van het oppervlak van een dergelijk materiaal en hoe dik het wordt per watt aan tegengehouden vermogen. Ook lijkt het me wel interessant om te weten hoeveel druk het materiaal aan kan, waaronder het toch nog goed kan werken.

[Verwijderd]

dit is denk ik wel handig voor als je met peltiers werkt, als dan de koeling van de peltiers uitvalt zal de gegenereerde warmte van de peltiers niet direct op de proc overslaan wat er voor kan zorgen dat de proc in iedergeval een iets langer leven heeft...

[Verwijderd]

Volgens mij heeft het helemaal geen zin om dit ding te gebruiken voor het afkoelen van je CPU. Je CPU is altijd warmer dan de omgeving. De warmte stroomt dus altijd al 1 kant op (van warm naar koud).

Zo'n ventiel heb je nodig als je twee dingen hebt waarvan je niet weet welke de warmste is en de 1 mag de ander wel verwarmen maar de ander de 1 niet. (Als je begrijpt wat ik bedoel.)

Toegepast op CPU's kan je dit materiaal gebruiken als je omgeving warmer _kan_ zijn dan je CPU en je wilt op zo'n moment niet dat je CPU opgewarmd wordt. (Dan heb je dus nog wel iets anders nodig om je CPU-warmte af te voeren.)

<edit>
Hoezo troll??
</edit>

[Swinnio]

Wanneer CPU en omgeving in contact met elkaar staat en de een is warmer dan de ander, zal er altijd warmtetransport optreden. Dat is een hoofdwet uit de thermodynamica. Het ventiel zorgt er nu voor dat alle warmte die de CPU produceert, aan een kant het "ventiel" ingaat en via deze, vaste weg aan de omgeving wordt afgedragen. Door het eenrichtingsverkeer blijft dit proces continu doorgaan en ontstaat er geen evenwichtssituatie waarbij de omgeving van de CPU geleidelijk van CPU-temperatuur overgaat in omgevingstemperatuur. Dit effect komt de efficientie enorm ten goede.

/edit: reactie op Zwalther hieronder:
de temperatuur van de CPU en omgeving zullen nooit exact gelijk worden; er zal dus altijd warmtetransport plaats blijven vinden. Verder staat er in de post

Theoretisch gezien zou dergelijk materiaal onderdelen van microcircuits kunnen koelen, of kanaliseren naar chemische reactors ter grootte van een chip, welke reeds in ontwikkeling zijn.

Het lijkt me dat als je microcircuits kunt koelen, je ook (onderdelen van?) een CPU kunt koelen. Maar het blijft inderdaad speculeren...

[Verwijderd]

Dit eenrichtingsverkeer loopt niet als het aan allebei de kanten even warm is.
Het enige wat dit materiaal doet is het blokkeren van warmte die de andere kant op wil.
Met het eenrichtingsverkeer mee doet het materiaal net zo veel als (of minder dan) een gewone warmtegeleider.
Daarom dus mijn stelling dat dit geen zin heeft voor het koelen van een CPU.

<edit> reactie op de reactie van Swinnio hierboven
Het klopt inderdaad dat je er wel iets mee kan tussen de onderdelen van een microcircuit. Je kan ervoor zorgen dat de warmte niet van het ene onderdeel naar het andere gaat. Terwijl hij in principe wel de andere kant op kan. Dus 1zijdig blokkeren van de warmtestroom. Zo kan je bepaalde onderdelen beschermen.
Mijn eerste reactie ging over het koelen van de de CPU als geheel. Daar heeft deze techniek denk ik niet zo veel zin.
</edit>

[Aetje]

Leuk voor peltiers? Als ik dit goed lees, zijn dit passieve peltiers! Dus geen extra voeding (en warmte) voor 't peltier meer...Zeer interessant.

[Randal Peelen]

Maar als je zo'n stof op de CPU bouwd en die de warmte naar het peltier element laat pompen, die het vervolgens naar het waterblok pompt dan zit dat al wel goed, het is namelijk niet raadzaam het peltier element rechtstreeks op de CPU te zetten.

[mvds]

Valt wel mee denk ik. Je kan het effect niet met dat van peltiers vergelijken. Als je dit materiaal gebruikt, dan zal het niks "doen", alleen maar warmte afvoeren. Een peltier daarintegen voert niet alleen maar warmte af, maar "maakt" ook echt een koude kant. Als die kant niet belast is, dan kan die kant ver beneden het nulpunt komen. Met dit materiaal lijkt me dat niet mogelijk, die zal gewoon op kamertemperatuur zijn als het niet belast word.

Ik snap wel wat je bedoelt, en de werking lijkt er idd wel op, maar ik zeg alleen dat jij zo'n ding niet als vervanging voor een peltier wilt gebruiken.

[rjeggens]

Dit als een soort van 'warmteventiel' werkend materiaal zou moeten worden opgebouwd uit een eendimensionale keten van moleculen

Ik snap dat ze het een beetje makkelijker uit willen leggen, maar 1 dimensionaal da's een punt. Gaat het een richting uit, dan heb je al sowieso twee dimensies. Ik snap eigenlijk niet precies wat ze hiermee bedoelen.

[Swinnio]

Waarschijnlijk bedoelen ze dat de warmte zich langs een rechte lijn verplaatst en dus maar 1 vrijheidsgraad van bewegen heeft. Een lijn is 1-dimensionaal en een vlak is 2-dimensionaal.

[Cookie]

Tja, da's een beetje miereneuken ei'k. Voor atoomwetenschappers is het olifanteraggen, want zelfs één molecuul is feitelijk gewoon driedimensionaal. Maar bedoeld wordt natuurlijk dat moleculen slechts achter elkaar, als in een ketting (ze hebben het ook over een 'chain' ), geschakeld zijn. Als ze ook naast elkaar zouden koppelen zou je dat, cru gezien, als 'tweedimensionaal' kunnen bestempelen. Een matje zegmaar. 'Driedimensionaal' geschakelde moleculen leveren op wat je vrijwel overal om je heen ziet, jezelf incluis.