Dùng ống nano cacbon để kiểm soát dòng lưu chuyển của nhiệt

Vừa qua, Alen Zettl và các cộng sự ở trường Đại học California đã chứng minh khả năng tạo được bộ chỉnh lưu nhiệt - một cơ cấu khiến dòng nhiệt chạy theo một chiều - bằng các ống nano. Nếu thực hiện được, thì bộ chỉnh lưu này (được mô tả trong Tạp chí Science) có thể được ứng dụng để quản lý sự gia nhiệt quá mức ở các mạch vi điện tử và giúp tạo ra các toà nhà đạt hiệu suất cao về năng lượng, thậm chí còn đưa lại những phương pháp mới để tạo ra các máy tính, trong đó sử dụng nhiệt làm  quá trình cơ bản.

Có thể coi nhiệt được tạo ra bằng các gói dao động nhỏ, gọi là phonon. Bộ chỉnh lưu nhiệt cho phép các phonon chỉ chuyển động theo một chiều. Nhưng chỉnh lưu nhiệt khó hơn nhiều so với chỉnh lưu dòng điện, bởi lẽ phần lớn sự vận chuyển nhiệt trong vật liệu là nhờ vào quá trình khuếch tán - một quá trình rời rạc, Arunava Majumdar, Kỹ sư cơ khí ở trường Đại học Berkeley và là đồng tác giả của bài viết đăng trên Tạp chí Science, nói: "Các dao động không tích điện, vì vậy ta không thể làm lệch chúng được".

Bộ chỉnh lưu nhiệt sử dụng ống nano là thực nghiệm đầu tiên chứng minh một thiết bị như vậy có khả năng hoạt động được. Theo Michel Peyrard, Nhà vật lý lý thuyết người Pháp, thì "xuất phát từ quan điểm này, nó thực sự rất đáng quan tâm”. Bốn năm trước, Peyrard và nhóm các nhà vật lý châu Âu lần đầu tiên đã đề xuất kế hoạch chế tạo một bộ chỉnh lưu nhiệt. Cơ sở của nó là: những vật liệu khác nhau thì dẫn nhiệt theo những cách khác nhau tại các nhiệt độ khác nhau. Bộ chỉnh lưu nhiệt của họ là dựa vào sự kết hợp những vật liệu như vậy. Nhưng họ không có điều kiện dùng thực nghiệm để thực hiện ý tưởng đó.

Những nhà vật lý khác đã đề xuất rằng nếu một hệ thống đơn chiều (One-Dimensional) có khối lượng nặng hơn ở một đầu, thì nhiệt sẽ chạy từ đó sang đầu có khối lượng thấp hơn. Nghiên cứu sinh của Zettl là Chih-Wei Chang đã quyết định thử nghiệm lý thuyết này bằng cách chế tạo bộ chỉnh lưu bằng các ống nano, vì chúng có bề rộng cực nhỏ, khiến cho chúng gần như là những phần tử 1 chiều. Ngoài ra, chúng còn là những vật liệu dẫn nhiệt tốt.

Chang đã tạo ra các ống nano cacbon và ống nano boron-nitride, có bề rộng từ 10 đến 40 nano. Chang đã đặt từng ống vào thiết bị thử nghiệm, mỗi đầu ống được gắn với điện cực silic hoặc platin có tác dụng như những bộ gia nhiệt hoặc cảm biến. Tiếp đó, Chang cho kết tủa hợp chất platin một cách không đồng đều dọc theo chiều dài của ống nano, để cho khối lượng ở một đầu lớn hơn khối lượng ở đầu kia. Cuối cùng, Chang đưa một dòng điện xác định vào bộ gia nhiệt để làm nóng một đầu và đo sự thay đổi nhiệt độ ở cả 2 điện cực để biết bao nhiêu nhiệt đã truyền qua ống. Chang đã thấy là số phonon truyền qua từ đầu có khối lượng lớn hơn sang đầu có khối lượng nhỏ lớn hơn 7% so với lượng nhiệt truyền theo chiều ngược lại.