Forscher der Universität Osaka haben eine Strategie zur Verbesserung der Kühlung entwickelt, indem sie den Ionenfluss durch Nanokanäle steuern. Diese ionothermoelektrische Strategie ist analog zum Peltier-Element, bei dem das Anlegen eines elektrischen Stroms an ein Material zu Erwärmung oder Abkühlung führt. Die vielversprechende Erfindung wird in ACS Nano veröffentlicht .
„Wir haben eine Nanopore in einer Halbleitermembran erzeugt und diese mit einem ‚Gate‘ in Form eines Nanodrahts umgeben. Durch Anlegen einer Spannung an das Gate wurde der Ionenfluss durch die Nanopore induziert“, erklärt Erstautor Makusu Tsutsui. „Durch Variation der Spannung konnte die Oberflächenladung der Nanopore moduliert werden.“
Eine angelegte negative Spannung führte zu einer negativ geladenen Nanopore, die nur für positiv geladene Ionen, sogenannte Kationen, durchlässig war. Jedes Ion transportierte somit eine bestimmte Wärmemenge zusammen mit seiner Ladung. Das Team erzeugte einen Konzentrationsgradienten in Salzwasser um die Nanopore, um den Kationentransport in eine Richtung zu lenken und so effektiv Wärme aus der Nanopore abzuführen. Durch Umkehrung der angelegten Spannung wurde die Oberfläche der Nanopore positiv geladen und nur noch für negative Ionen, sogenannte Anionen, durchlässig. Dadurch schaltete sich das System von Kühlung auf Erwärmung um.
„Wir platzierten ein Nanometer-Thermoelement neben den Löchern im Material – den Nanoporen –, um die durch den spannungsinduzierten Ionentransport hervorgerufenen Temperaturänderungen zu erfassen“, erklärt der Hauptautor Tomoji Kawai. „Der Wechsel von Erwärmung zu Kühlung führte zu Temperaturabfällen von über 2 K. Wir stellten fest, dass der ionische Wärmetransport sowohl von der Eingangsleistung als auch von der Art der verwendeten Ionen abhing.“
Festkörper-Nanoporen sind vollständig mit Halbleiterfertigungstechnologien kompatibel. Die Implementierung der an der Universität Osaka entwickelten Ionenkühlungsstrategie könnte die Leistungsfähigkeit von Halbleiterchips der nächsten Generation steigern. Neben der Verbesserung des Leistungspotenzials besteht die Hoffnung, dass diese Fortschritte in der Temperaturregelung auch Umweltbedenken mindern können.
Der Artikel „Gate-tunable ionothermoelectric cooling in a solid-state nanopore“ wurde in ACS Nano unter DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.5c13339 veröffentlicht.
