کاربرد کامپوزیت‌های اپوکسی ـ گرافن در تولید واسطههای حرارتی
شمای
یک تراشه رایانه‌ای متصل‌شده به سامانه یکپارچه انتشار حرارت (HIS:
Integrated Heat Spreader) با استفاده از اولین واسطه حرارتی (TIM-1) ؛ و
اتصال سامانه یکپارچه انتشار حرارت به چاه حرارتی از طریق دومین واسطه
حرارتی (TIM-2) (چپ). حد فاصل قطعه و سامانه یکپارچه انتشار حرارت به نحوی
با واسطه حرارتی پر می‌شود که بیشترین انتقال حرارت انجام شود (راست).
رشد
چشمگیر کاربرد فناوری نانو در صنایع الکترونیک و نیمه‌هادی‌‌ها، با
چالش‌هایی مانند کنترل حرارت ناشی از عملکرد این قطعات همراه است، تا جایی
که دفع حرارت تولیدشده ناشی از تبادلات الکترونیکی را می‌توان یکی از شرایط
بهینه‌سازی عملکرد این تجهیزات و سامانه‌های تولید انرژی (همچون سلول‌های
خورشیدی) دانست. در این میان، (واسطههای حرارتی) (TIM: Thermal Interface
Materials) نقش سازنده‌ای در اتلاف حرارت تولیدی ایفا می‌کنند. با قرار
دادن این مواد کامپوزیتی در حد فاصل منبع تولید حرارت (مانند تراشه‌های
رایانه‌ای) و چاه حرارتی، خلل و فرج‌های ایجادشده بر اثر ناهمواری‌های
موجود در دو سطح (مطابق شکل) پر می‌شوند و بیشترین انتقال حرارت از سامانه
الکترونیکی به چاه حرارتی صورت می‌گیرد. هنگام استفاده از واسطههای حرارتی
رایج که از ذراتی با رسانایی حرارتی بالا پر شده‌اند، برای اینکه خاصیت
رسانش حرارتی کامپوزیت در دمای اتاق، در محدوده تقریبی W/mK 5-1 حفظ شود،
به حجم بالایی از ذرات تقویت‌کننده نیاز است.
با این روش، رسانش حرارتی ماده زمینه اپوکسی، با استفاده از 10 درصد حجمی از ساختار گرافن، 23 درصد افزایش می‌یابد و ترکیب
اپوکسی ـ گرافن حاصل، تمامی ویژگی‌های مورد نیاز برای کاربرد صنعتی این واسطههای حرارتی را داراست.
محققان
معتقدند که افزایش رسانش حرارتی انواع تجاری واسطههای حرارتی، از مقدار
فعلی (5) به W/mK 25، به انقلاب عظیمی در صنعت الکترونیک و همچنین
سامانه‌های تولید انرژی منجر خواهد شد. از این‌رو، گروه‌های متعددی در تلاش
هستند تا با استفاده از پرکننده‌های گوناگونی که به ماده زمینه اضافه
می‌شوند، مواد مرکبی با رسانش حرارتی بالاتر تولید کنند. البته استفاده از
این مواد به شرایط دیگری همچون هزینه اندک و ویسکوزیته مناسب نیز وابسته
است.
یکی
از جدیدترین تحقیقات، از افزایش چشمگیر رسانش حرارتی نوعی از فاصل‌های
حرارتی، با استفاده از ترکیب بهینه‌ای از ساختارهای تک‌لایه و چندلایه
گرافن حکایت می‌کند. با این روش، رسانش حرارتی ماده زمینه اپوکسی، با
استفاده از 10 درصد حجمی از ساختار گرافن، 23 درصد افزایش می‌یابد و ترکیب
اپوکسی ـ گرافن حاصل، تمامی ویژگی‌های مورد نیاز برای کاربرد صنعتی این
واسطههای حرارتی را داراست. این مطالعات نشان می‌دهد که شرط تقویت رسانش
حرارتی، حضور هم‌زمان ترکیب معینی از گرافن‌های تک‌لایه و دولایه، در کنار
چندلایه‌های ضخیم‌تر گرافیتی است. گفتنی است که در این زمینه، کاربرد
ساختار گرافنی ارائه‌شده، از نانولوله‌های کربنی یا صفحات نانومتری گرافیتی
نیز به مراتب بیشتر است. تلاش‌های صورت‌گرفته برای به‌کارگیری نانوموادی
همچون نانولوله‌های کربنی در ساختار واسطههای حرارتی ـ که از رسانش حرارتی
بالایی برخوردارند ـ به نتایج عملی شایان توجهی نینجامید که دلیل آن را
می‌توان در اتصال حرارتی ضعیف نانولوله‌ها با ساختار زمینه و هزینه‌های
بالای تولید این مواد دانست.
ساخت لنز دید در شب با استفاده از گرافن :
چیزی
که سال‌ها قبل به نظر عجیب می‌رسید. اما آیا ممکن است لنزهای کوچک چشمی
درست مثل فیلم‌های علمی تخیلی، دید در شب را ممکن کنند؟ پروهشگران روش
جدیدی کشف کرده‌اند که با استفاده از گرافن، بتوان چنین لنز‌هایی ساخت و
این یعنی اولین قدم برای تولید انبوه لنزهای تماسی دید در شب.
اساس
کار یک دوربین دید در شب، حس‌کردن امواج نامرئی با طول موج بیشتر از رنگ
قرمز است؛ چرا که چشم انسان قادر به تشخیص این امواج نیست. امواج مادون
قرمز از اجسام گرم، به محیط پیرامون تابیده می‌شوند و دوربین‌های دید در شب
با دریافت و تبدیل این امواج به تصویر قابل درک توسط انسان، وظیفه‌ی اصلی
خود را عملی می‌کنند.
مهندسین
برق دانشگاه میشیگان اخیراً راهی جدید برای تشخیص امواج مادون قرمز پیدا
کرده‌اند. آنها متوجه شده‌اند که با قرار‌دادن دو لایه‌ی گرافن که ساختاری
خاص از اتم‌های کربن است، می‌توان مادون قرمز را حس کرد. ضخامت هر لایه
تنها به اندازه‌ی یک اتم است. مزیت روش جدید نسبت به یافته‌های قبلی، عدم
نیاز به خنک‌کاری تا دمای بسیار پایین و از آن مهم‌تر، کوچک و باریک‌بودن
حسگر است.
مشکل
پیش رویTed Norris وZhaohui Zhong این بوده که حساسیت گرافن نسبت به نور،
بسیار پایین و در حد یک صدم یا یک هزارم چیزی است که یک محصول تجاری باید
داشته باشد. آنها برای حل مشکل تصمیم گرفتند جریان الکتریکی را از گرافن که
هادی الکتریسیته است، عبور داده و مشغول اندازه‌گیری شدند.
برخورد
نور با لایه‌ی گرافن فوقانی در جریان الکتریکی که از لایه‌ی زیر عبور
می‌کند، تأثیر گذاشته و همین تأثیر کم برای تولید یک دوربین دید در شب
بسیار کوچک کافی است.
Zhong می‌گوید اگر بتوان این روش را در یک لنز تماسی یا سایر محصولات پوشیدنی پیاده‌سازی کرد، می‌توان بینایی در شب را تجربه کرد.
اندازه‌ی
فعلی محصولی که آنها تولید کرده‌اند از یک ناخن کوچک‌تر است؛ ولیکن باید
چند سالی تا نهایی‌شدن و تجاری‌شدن چنین کشفی صبر کنیم.