ננו-צינורות פחמן עדיפים על מתכות עבור אלקטרוניקה

מערכות ננומטריות המכילות גם מתכות סובלות מבעיות של צפיפות זרם גבוהה יותר המשרה נדידה חשמלית, העברת מסה המתרחשת בתוך מתכת כתוצאה מתנועת יונים הנתונים להשפעת זרם חשמלי ונדידת חום. חוקר אמריקני מצא כי בננו צינורות פחמן התופעות הללו לא מתרחשות

בחתירתם לייצר התקנים אלקטרוניים זעירים מאי-פעם ובעלי דחיסות גבוהה יותר של מעגלים משולבים, חוקרי ננוטכנולוגיה נתקלים שוב ושוב במספר אמיתות לא נעימות: צפיפות זרם גבוהה יותר משרה נדידה חשמלית (electromigration, העברת מסה המתרחשת בתוך מתכת כתוצאה מתנועת יונים הנתונים להשפעת זרם חשמלי) ונדידת חום (thermomigration), תופעות הפוגמות במוליכים מתכתיים ויוצרות חום, המוביל לכשל ביצועי מוקדם של ההתקנים.

אולם חוקרים מאוניברסיטת בופאלו הבוחנים את תחום האריזה באלקטרוניקה מצאו לאחרונה תגלית מבשרת טובות: אין כך הדבר עבור ננו-צינורות פחמן חד-דופנות (Single-Walled Carbon Nanotubes, SWCNTs).

“לפני שנים רבות, כל החוקרים סברו כי בעיית הקירור של רכיבי אלקטרוניקה תוכל להיפתר,” אמר Cemal Basaran, פרופסור באוניברסיטת בופאלו במחלקה להנדסה אזרחית, סביבתית ומבנית. “היום אנו יודעים כי אין כך הוא הדבר. השימוש ברכיבי אלקטרוניקה המבוססים על מתכות הגיע לסופו. גמרנו עם מתכות.”

ננו-צינורות פחמן חד-דופנות הינם גלילים חלולים ודקיקים שעוביים כגודלו של אטום יחיד. בהיותם חזקים אלפי מונים יותר ממתכות, הם צפויים להחליף בעתיד את המתכות ביישומי אלקטרוניקה רבים.

צוות המחקר של Basaran העביר את ארבע השנים האחרונות בביצוע חישוביי מכאניקה קוונטית, אשר הוכיחו כי עבור ננו-צינורות פחמן צפיפות זרם גבוהה יותר אינה מובילה לתופעות שהוזכרו לעיל – הם מייצרים רק אחוז אחד מהחום המיוצר ע”י מתכות אופייניות כנחושת.

הממצאים של צוות החוקרים מרמזים על מאפיין מעניין נוסף של חומרים אלו, הוא מוסיף. “חוקרים הניחו כי תהליכי חימום חשמלי בננו-צינורות פחמן נשלטים ע”י חוק ג'אול (Joule's law) הקובע את שיעור האנרגיה במעגל חשמלי ההופכת לחום עקב התנגדות חשמלית” אומר החוקר הראשי. “אנו הראשונים להראות באופן מתמטי, מנקודת התצפית של מכאניקה קוונטית, שננו-צינורות פחמן אינם פועלים לפי חוק זה.” לפי דבריו של החוקר, הבדל מהותי זה בין מתכות לבין ננו-צינורות פחמן טמון בדרך שבה הם מוליכים חשמל.

“למרות שננו-צינורות פחמן הינם מוליכים, אין בהם קשרים מתכתיים,” הוא אמר. “כתוצאה מכך, הם אינם מוליכים חשמל באותה הדרך שבה עושות זאת המתכות הרווחות.” במתכות רגילות, הוא מסביר, ההולכה מביאה לפיזור האלקטרונים בתוככי הסריג של החומר, כך שכאשר האלקטרונים נעים במהלך הולכה הם נתקלים באטומים. תופעה זו גורמת לחיכוך המייצר חום. “מאידך גיסא, בננו-צינורות פחמן ההולכה האלקטרונית מתבצעת בצורה שונה לחלוטין, בצורה “בליסטית” חד-מימדית,” הוא מסביר.

“האלקטרונים ממש ניתזים החוצה מהחומר, כך שהם לא נתקלים באטומי החומר עצמם.” הוא משרטט אנאלוגיה, תוך שימוש בהבדל שבין רכבת רגילה לבין רכבת חשמלית המרחפת מגנטית מעל הקרקע. “ברכבת הרגילה, ישנו חיכוך מתמיד בין הגלגלים לבין המסילה,” אמר החוקר. “באמצעות יצירת חום, חיכוך זה מביא לאובדן אנרגיה. אולם עבור רכבות חשמליות, הגלגלים והמסילות אינם במגע ישיר. בהעדר חיכוך זה, הם מסוגלות לנוע מהר יותר.”

שיעור החיכוך המזערי מעניק לננו-צינורות פחמן יתרון אדיר אל מול מתכות רגילות, אמר החוקר. המאפיינים הייחודיים של ננו-צינורות פחמן יאפשרו למהנדסים לייצר התקנים חדשים, זעירים, מהירים ועוצמתיים יותר, שכיום אינם אפשריים בשל המגבלות המובנות במתכות רגילות.

“כאשר המכונית החשמלית תיוצר, בסופו של דבר, הסוללות שלה כנראה יתבססו על ננו-צינורות פחמן,” אמר החוקר. “לא יוכלו להשתמש במתכות רגילות לבניית המנועים כיוון שהן תתחממנה מאוד.”

הידיעה מאוניברסיטת בופאלו