Molecular Dynamics Studies on Heat Transfer Control Between Water and Silica Using Nanoscale Surface Patterns

Abstract

Due to recent advances in manufacturing, component sizes have tremendously decreased in computer electronics and communication devices. Miniaturization has led to a substantial increase in memory and computational power but also created heat dissipation problems. Understanding heat transfer and temperature distribution in these devices became crucial for thermal management. At nanoscale, heat transfer through dielectric materials is mostly determined by phonon transport. The phonon passage is interrupted through the interfaces which creates temperature jumps and dominates the heat transfer rates at nanoscale. Kapitza length characterizes the interfacial thermal resistance as a function of temperature jump at the solid-liquid interface. In this study, heat transfer from different nanoscale surface structures were investigated using Molecular Dynamics simulations. The systems were created by two parallel silica walls and water between them. Kapitza length values were calculated for seven different surface conditions for two different molecular surface interaction strength parameters yielding high and low wetting conditions. Measured Kapitza length values were characterized based on cavity width (w), cavity height (h), and unit crystal cavity volume (Vc). While the increase in pattern cavity width increased Kapitza length, increasing pattern cavity height decreased Kapitza value. However, a general characterization based on cavity volume could not be obtained. Instead, almost a uniform behavior was observed through the variation of Kapitza length of different size patterns as a function of Ac=Vch/w^2. Kapitza length decreased by approximately 19% and 29% for high and low wetting conditions, respectively, when Ac increased. Then, similar characterizations were done for variation of heat flux. Overall, heat flux increased by approximately 20% and 30% for high and low wetting conditions, respectively, when Ac increased. Results are important to better understand and control heat transfer between water and silica using nanoscale surface patterns.

Üretimdeki son gelişmeler nedeniyle, bilgisayar elektroniğinde ve iletişim cihazlarında parça boyutları büyük ölçüde azaldı. Minyatürleşme, bellek ve hesaplama gücünde önemli bir artışa yol açtı, ancak aynı zamanda ısı yayılımı sorunları yarattı. Bu cihazlarda ısı transferini ve sıcaklık dağılımını anlamak ısı yönetimi için çok önemli hale geldi. Nano ölçekte dielektrik malzemeler aracılığıyla ısı transferi çoğunlukla fonon taşınmasıyla belirlenir. Fonon geçişi, sıcaklık sıçramaları yaratan ve nano ölçekte ısı transfer oranlarına hakim olan arayüzler aracılığıyla kesintiye uğrar. Kapitza uzunluğu, arayüzey termal direncini katı-sıvı arayüzündeki sıcaklık sıçramasının bir fonksiyonu olarak karakterize eder. Bu çalışmada, farklı nano ölçekli yüzey yapılarındaki ısı transferi Moleküler Dinamik simulasyonları kullanılarak incelenmiştir. Sistemler, iki paralel silika duvar ve aralarında su ile oluşturuldu. Kapitza uzunluk değerleri, yüksek ve düşük ıslatma koşulları sağlayan iki farklı moleküler yüzey etkileşim kuvveti parametresi ve yedi farklı yüzey koşulu için hesaplanmıştır. Ölçülen Kapitza uzunluk değerleri, boşluk genişliği (w), boşluk yüksekliği (h), birim kristal boşluk hacmi (Vc) temelinde karakterize edildi. Model boşluğu genişliğindeki artış Kapitza uzunluğunu artırırken, artan model boşluğu yüksekliği Kapitza değerini düşürmüştür. Ancak boşluk hacmine dayalı genel bir karakterizasyon elde edilememiştir. Bunun yerine, Ac=Vch/w^2'nin bir fonksiyonu olarak farklı boyut modellerinin Kapitza uzunluğunun varyasyonunda tek düze bir davranış gözlemlendi. Kapitza uzunluğu Ac arttığında yüksek ve düşük ıslatma durumlarında sırasıyla yaklaşık %19 ve %29 azalmıştır. Daha sonra ısı akısının değişimi için benzer karakterizasyonlar yapılmıştır. Genel olarak, ısı akısı, Ac arttığında yüksek ve düşük ıslatma durumları için sırasıyla yaklaşık %20 ve %30 artmıştır. Sonuçlar nano ölçekli yüzey modelleri kullanılarak su ve silika arasındaki ısı transferini daha iyi anlamak ve kontrol etmek için önemlidir.