Nieuwe Microscoop Volgt Warmtestroom op Nanoschaal voor Groener Technologie

Een groep wetenschappers van DTU, Technion en de Universiteit van Antwerpen heeft een nieuw type microscoop onthuld die is ontworpen om thermische diffusiviteit vast te leggen. Het apparaat kan ingenieurs in staat stellen een dieper inzicht te krijgen in hoe elektronen warmte overbrengen door specifieke materialen, waardoor de deur wordt geopend voor hoogwaardige componenten in diverse sectoren. Dit is wat u moet weten.

Begrijpen van thermische diffusiviteit in materialen

De thermische diffusie-eigenschappen van een materiaal hangen grotendeels af van de samenstelling en structuur. Het kunnen bepalen van deze eigenschappen is een kernaspect van het ontwerpen van betrouwbare en veilige apparaten. Het kan vereisen dat men belangrijke aspecten zoals elektronenverdelingsrelaties, atomaire massa, bindingssterkte, ladingsconcentratie en mobiliteit in de gaten houdt, die allemaal een cruciale rol spelen in de vergelijking. Bovendien moeten bij nanoschaaloppervlakken de kristalkorrelgrootte, vorm en korrelgrenzen (GB’s) worden onderzocht.

Hoe warmtestroom verschilt per materiaalstructuur

Wanneer u alle factoren die nodig zijn om warmtediffusie nauwkeurig te voorspellen, beoordeelt, zijn er twee hoofdpunten om te overwegen. Ervaart het materiaal een uniforme warmtestroom, wat betekent dat het over het gehele oppervlak in temperatuur stijgt, of is het materiaal niet-uniform? Het laatste betekent dat de thermische diffusiviteit kan variëren afhankelijk van de stroomrichting langs kristallografische oriëntaties. Dit type materiaal biedt unieke kansen voor ingenieurs die de directionele warmtestroom kunnen benutten om de productprestaties te verbeteren.

Uitdagingen bij het meten van anisotropische warmtestroom

Er zijn enkele problemen bij het monitoren van warmtediffusie. Tot nu toe is er geen betrouwbare manier geweest om de anisotropische thermische diffusiviteitstensor in polycristallijne systeemstructuren nauwkeurig te bepalen. Dit probleem weerspiegelt de beperkte kennis van wetenschappers over dit nanoschaalverschijnsel. Bovendien zijn de huidige methoden onbetrouwbaar en kunnen ze destructief zijn voor de monsters. Deze situatie leidt tot verminderde nauwkeurigheid, naast een trage installatie. Gelukkig zal deze situatie veranderen.

Achter de studie van de thermische diffusiviteitsmicroscoop

Een internationaal team van ingenieurs heeft de krachten gebundeld om dit probleem aan te pakken. De studie¹ “Thermal diffusivity microscope: Zooming in on anisotropic heat transport“, gepubliceerd in Science Advances, introduceert een nieuwe methode om betrouwbaar hoog-resolutie lokale metingen van anisotropische thermische diffusiviteit vast te leggen. Hun uitvinding, de thermische diffusiviteitsmicroscoop, heeft het potentieel om de deur te openen naar een nieuw niveau van engineering en materiaalkunde.

Bron – DTU

Wat is de thermische diffusiviteitsmicroscoop?

Het concept van de thermische diffusiviteitsmicroscoop leent ideeën van het CAPRES microRSP geautomatiseerde systeem en combineert deze met upgrades die de meetmogelijkheden van warmtestroom verbeteren. Het nieuwe apparaat beschikt over een eigen vierpuntsprobe die snellere en nauwkeurigere metingen levert.

Snelle installatie en kalibratievrij ontwerp

Het team merkte op dat het apparaat kan worden geïnstalleerd en geen kalibratie tussen elke meting vereist. Bovendien vereist het monster minimale voorbereiding, waardoor de werklast en de kans op contaminatie worden verminderd. Opmerkelijk is dat het systeem nauwkeurige anisotropische thermische diffusiviteitsmetingen levert door gebruik te maken van gegevens die zijn verzameld van een thermisch relais op een enkele verwarmingselement.

Integratie van cold finger-effecten in warmtestudies

Een ander probleem dat ingenieurs hebben aangepakt, waren de “cold finger”-effecten. Een cold finger verwijst naar een laboratoriuminstrument dat lijkt op een metalen cilinder. Het is ontworpen om de temperatuur van materialen te verlagen en te helpen bij processen zoals destillatie. Het wordt vaak gebruikt, maar de effecten ervan zijn tot nu toe nooit geïntegreerd in een thermische diffusiestudie.

Testen van de microscoop met echte materialen

Het team voerde verschillende experimenten uit om hun theorieën te testen. Ze selecteerden twee materialen die bekend staan om hun thermische eigenschappen – Bi2Te3 (bismuttelluride) en Sb2Te3 (antimoon telluride). Beide bieden hoge geleiding en thermische eigenschappen die ze ideaal maken voor gebruik op nanoschaal. Bovendien hebben deze materialen een rhombohedrale gelaagde kristalstructuur die gestapeld is door zwakke van der Waals-krachten langs de c-as, wat hun anisotropische transporteigenschappen versterkt.
Om te beginnen werden de monsters verwarmd voordat de ingenieurs willekeurig een sectie van 300 μm bij 400 μm in kaart brachten met een stapgrootte van 5 μm. Deze optische micrograph toonde belangrijke details zoals korrels en de oriëntatie van de probes. Dit hielp de ingenieurs om veranderingen in thermische diffusiviteit te zien op basis van de oriëntatie van de korrels.

Belangrijkste bevindingen van de tests met de thermische diffusiviteitsmicroscoop

De tests met de thermische diffusiviteitsmicroscoop toonden aan dat de ingenieurs correct waren in hun modellen. Het apparaat leverde met succes hoog-resolutie metingen op nanoschaal. De metingen maakten het mogelijk voor ingenieurs om warmtestroom in realtime te observeren, waardoor ze belangrijke factoren van de geteste materialen konden bepalen, inclusief hoe de bijdrage van het rooster cruciaal was voor de warmteoverdracht in beide richtingen.

Voordelen van de thermische diffusiviteitsmicroscoop voor ingenieurs

Er is een lange lijst met voordelen die de thermische diffusiviteitsmicroscoop op de markt brengt. Ten eerste zal het ingenieurs helpen krachtigere en veiligere elektronische apparaten en energiesystemen te creëren. Ze kunnen nieuwe materialen op nanoschaal testen en precies zien wanneer en waar het faalpunt optreedt.

Gebruiksvriendelijke en niet-destructieve installatie

Het systeem van de thermische diffusiviteitsmicroscoop vereist veel minder werk dan eerdere methoden. Er is geen voorbereiding van monsters nodig, wat een tijdrovend en nauwkeurig proces was dat vaak resulteerde in beschadigde monsters. Het team merkte op dat ze gedetailleerde en in kaart gebrachte metingen konden verkrijgen in minder dan een minuut.

Toepassingen in de praktijk en uitroltijdlijn

De lijst met toepassingen voor deze technologie is bijna eindeloos. Thermische diffusiviteit ligt aan de basis van de meeste hightech-ontwikkelingen. Alles, van uw persoonlijke computer tot ruimtevaartuigen, vereist warmtemanagementsystemen. Dit apparaat stelt ingenieurs in staat om meer capabele en krachtige thermische coatings, elektronica en thermo-elektrische apparaten te creëren. Hieronder staan enkele toptoepassingen voor deze technologie.

Snellere computers

De thermische diffusiviteitsmicroscoop zal helpen betere computers te maken. Uw apparaat ondervindt verminderde prestaties wanneer het langdurig aan hoge temperaturen wordt blootgesteld. Het koeler houden van pc’s stelt ingenieurs in staat krachtigere en kleinere apparaten te creëren.

Zonnepanelen

Een andere sector waar deze technologie kan uitblinken, is de zonne-energiemarkt. Elk apparaat dat zonnestralen moet opvangen, moet een uitstekende thermische diffusiviteit hebben. Ingenieurs zullen de grenzen van deze technologie naar nieuwe hoogten kunnen verleggen door meer warmte-efficiënte en koeler werkende opties te creëren, waardoor onbedoeld energieverlies door slechte warmtesturing wordt verminderd.

Tijdlijn van de thermische diffusiviteitsmicroscoop

De thermische diffusiviteitsmicroscoop is operationeel. Het kan echter enkele jaren duren voordat dit apparaat commercieel beschikbaar wordt voor klanten. Voorlopig zal het apparaat nog veel meer experimenten en tests ondergaan. In de komende 3-5 jaar kan de eenheid gecommercialiseerd worden en een krachtig hulpmiddel worden voor fabrikanten, veiligheidsmedewerkers en ingenieurs.

Onderzoekers van de thermische diffusiviteitsmicroscoop

De studie naar de thermische diffusiviteitsmicroscoop was een gezamenlijke inspanning van ingenieurs van DTU, Technion en de Universiteit van Antwerpen. Het artikel vermeldt Neetu Lamba, Braulio Beltrán-Pitarch, Tianbo Yu, Dirch Hjorth Petersen, Muhamed Dawod, Alex Berner, Benny Guralnik, Andrey Orekhov, Nicolas Gauquelin, Yaron Amouyal, Johan Verbeeck, Ole Hansen en Nini Pryds als bijdragende auteurs. De studie ontving financiële steun van verschillende subsidies, waaronder de Independent Research Fund Denmark-subsidie, de Innovation Fund Denmark-subsidie, de EliteForsk-reisbeurs en nog veel meer.

Wat is de volgende stap voor de thermische diffusiviteitsmicroscoop

De toekomst van de thermische diffusiviteitsmicroscoop is druk. Deze technologie kan worden uitgerold in verschillende sectoren en zal een directe impact hebben op alles, van uw smartwatch tot de volgende elektrische auto. Dit onderzoek kan de deur openen voor ingenieurs om een dieper inzicht te krijgen in thermische eigenschappen en de materiaalkunde uit te breiden.

Investeren in de markt voor thermische spuitcoatings

Er zijn veel bedrijven in de thermische coatingindustrie die baat kunnen hebben bij dit onderzoek. Opmerkelijk is dat de markt naar verwachting $20,83 miljard zal bereiken tegen 2030, wat de vraag naar innovatie en verbeterde producten stimuleert. Hier is een bedrijf dat door zijn producten en bedrijfsmodel voortdurend de aandacht van investeerders trekt.

Applied Materials

Applied Materials (AMAT ) is een in Santa Clara, Californië gevestigd waferfabricagebedrijf. Het bedrijf werd in 1967 opgericht door Michael A. McNeilly, Herbert Dwight Jr., Walter Benzing en James Bagley. Hun doel was het leveren van betrouwbare chemical vapor deposition (CVD)-systemen die specifiek zijn ontworpen voor de fabricage van halfgeleiderwafers.

Since its launch, Applied Materials has grown to become the world’s largest semiconductor equipment manufacturer. In 1993, the company was the first to secure $1 billion in annual revenue in the wafer industry. Today, the firm operates across several advanced sectors, offering a comprehensive portfolio of rapid thermal processing (RTP) and anneal systems in the market.

Applied Materials has research centers in India and Israel as part of its growth strategy. Notably, analysts predict that Applied Materials will see growth as demand for its products increases alongside the need for more powerful computers to handle global AI system adoption. Consequently, those seeking exposure to the thermal coating sector should do more research into AMAT.

Slotgedachten: Het mogelijk maken van volgende-generatie technologieën

De thermische diffusiviteitsmicroscoop zal de deur openen naar meer geavanceerde technologieën in de komende jaren. Dit apparaat zal verschillende iteraties ondergaan, waardoor het kleiner en toegankelijker wordt voor ingenieurs en bedrijven. Deze veranderingen zullen de adoptie stimuleren, resulterend in meer geavanceerde warmtecoatings, elektronica en meer. Al deze factoren weerspiegelen het ontwrichtende potentieel van de studie naar de thermische diffusiviteitsmicroscoop.

Leer hier meer over andere wetenschappelijke doorbraken.

Gerefereerde studies:

^{1. Lamba, N., Beltrán-Pitarch, B., Yu, T., Dawod, M., Berner, A., Guralnik, B., Orekhov, A., Gauquelin, N., Amouyal, Y., Verbeeck, J., Hansen, O., Pryds, N., & Petersen, D. H. (2025). Thermische diffusiviteitsmicroscoop: Inzoomen op anisotropische warmtetransport. Science Advances, 11(8), eads6538. https://doi.org/10.1126/sciadv.ads6538}