(Phys.org)—Un team di ricercatori interdisciplinari del Rensselaer Polytechnic Institute ha sviluppato un nuovo metodo per aumentare significativamente la velocità di trasferimento del calore tra due materiali diversi. Risultati dello studio del team, pubblicato sulla rivista Materiali della natura , potrebbe consentire nuovi progressi nel raffreddamento dei chip dei computer e dei dispositivi a diodi emettitori di luce (LED), raccolta di energia solare, raccolta del calore disperso, e altre applicazioni.

Inserendo uno strato di "nanocolla" ultrasottile tra rame e silice, il team di ricerca ha dimostrato un aumento di quattro volte della conduttanza termica all'interfaccia tra i due materiali. Meno di un nanometro, o un miliardesimo di metro, di spessore, la nanocolla è uno strato di molecole che formano forti legami con il rame (un metallo) e la silice (una ceramica), che altrimenti non starebbero bene insieme. Questo tipo di bloccaggio nanomolecolare migliora l'adesione, e aiuta anche a sincronizzare le vibrazioni degli atomi che compongono i due materiali che, a sua volta, facilita il trasporto più efficiente di particelle di calore chiamate fononi. Oltre il rame e la silice, il team di ricerca ha dimostrato che il loro approccio funziona con altre interfacce metallo-ceramica.

Il trasferimento di calore è un aspetto critico di molte tecnologie diverse. Man mano che i chip dei computer diventano più piccoli e più complessi, i produttori sono costantemente alla ricerca di mezzi nuovi e migliori per rimuovere il calore in eccesso dai dispositivi a semiconduttore per aumentare l'affidabilità e le prestazioni. Con dispositivi fotovoltaici, Per esempio, un migliore trasferimento di calore porta a una conversione più efficiente della luce solare in energia elettrica. I produttori di LED sono anche alla ricerca di modi per aumentare l'efficienza riducendo la percentuale di potenza in ingresso persa sotto forma di calore. Ganapati Ramanath, professore nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali a Rensselaer, che ha condotto il nuovo studio, ha affermato che la capacità di migliorare e ottimizzare la conduttanza termica dell'interfaccia dovrebbe portare a nuove innovazioni in queste e in altre applicazioni.

"Le interfacce tra materiali diversi sono spesso colli di bottiglia del flusso di calore a causa del trasporto fononico soffocato. L'inserimento di un terzo materiale di solito peggiora solo le cose a causa di un'interfaccia aggiuntiva creata, " Disse Ramanath. "Tuttavia, il nostro metodo di introduzione di un nanostrato ultrasottile di molecole organiche che si legano fortemente con entrambi i materiali all'interfaccia dà luogo ad aumenti multipli della conduttanza termica interfacciale, contrariamente alla scarsa conduzione del calore osservata alle interfacce inorganico-organico. Questo metodo per regolare la conduttanza termica controllando l'adesione utilizzando un nanostrato organico funziona per sistemi di materiali multipli, e offre un nuovo mezzo per la manipolazione a livello atomico e molecolare di proprietà multiple su diversi tipi di interfacce di materiali. Anche, è bello essere in grado di farlo in modo piuttosto discreto con il semplice metodo di autoassemblaggio di un singolo strato di molecole".

Risultati del nuovo studio, intitolato "Miglioramento della conduttanza termica indotta dal legame a eterointerfacce inorganiche utilizzando monostrati nanomolecolari, " sono stati pubblicati online di recente da Materiali della natura , e apparirà in una prossima edizione cartacea della rivista.

Il team di ricerca ha utilizzato una combinazione di esperimenti e teoria per convalidare i risultati.

"Il nostro studio stabilisce la correlazione tra forza del legame interfacciale e conduttanza termica, che serve a sostenere nuove descrizioni teoriche e ad aprire nuovi modi per controllare il trasferimento di calore interfacciale, " ha detto il co-autore Pawel Keblinski, professore nel Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali a Rensselaer.

"È davvero notevole che un singolo strato molecolare possa apportare un così grande miglioramento nelle proprietà termiche delle interfacce formando forti legami interfacciali. Ciò sarebbe utile per controllare il trasporto di calore per molte applicazioni in elettronica, illuminazione, e generazione di energia, " ha detto il co-autore Masashi Yamaguchi, professore associato presso il Dipartimento di Fisica, Fisiche applicate, e Astronomia a Rensselaer.

"The overarching goal of Professor Ramanath's NSF-sponsored research is to elucidate, using first-principles-based models, the effects of molecular chemistry, chemical environment, interface topography, and thermo-mechanical cycling on the thermal conductance of metal-ceramic interfaces modified with molecular nanolayers, " said Clark V. Cooper, senior advisor for science at the NSF Directorate for Mathematical and Physical Sciences, who formerly held the post of program director for Materials and Surface Engineering. "Consistent with NSF's mission, the focus of his research is to advance fundamental science, but the potential societal benefits of the research are enormous."

"This is a fascinating example of the interplay between the physical, chimico, and mechanical properties working in unison at the nanoscale to determine the heat transport characteristics at dissimilar metal-ceramic interfaces, " said Anupama B. Kaul, a program director for the Division of Electrical, Communications, and Cyber Systems at the NSF Directorate for Engineering. "The fact that the organic nanomolecular layer is just a monolayer in thickness and yet has such an important influence on the thermal characteristics is truly remarkable. Dr. Ramanath's results should be particularly valuable in nanoelectronics where heat management due to shrinking device dimensions continues to be an area of active research."