I materiali polimerici sono generalmente isolanti termici. Ma sfruttando un processo di elettropolimerizzazione per produrre array allineati di nanofibre polimeriche, i ricercatori hanno sviluppato un materiale di interfaccia termica in grado di condurre il calore 20 volte meglio del polimero originale. Il materiale modificato può funzionare in modo affidabile a temperature fino a 200 gradi Celsius.

Il nuovo materiale di interfaccia termica potrebbe essere utilizzato per allontanare il calore dai dispositivi elettronici nei server, automobili, LED ad alta luminosità e alcuni dispositivi mobili. Il materiale è fabbricato su dissipatori di calore e diffusori di calore e aderisce bene ai dispositivi, potenzialmente evitando le sfide di affidabilità causate dall'espansione differenziale in altri materiali termicamente conduttivi.

"Gli schemi di gestione termica possono diventare più complicati man mano che i dispositivi diventano più piccoli, " disse Baratunde Cola, un assistente professore alla George W. Woodruff School of Mechanical Engineering presso il Georgia Institute of Technology. "Un materiale come questo, che potrebbe anche offrire una maggiore affidabilità, potrebbe essere interessante per affrontare i problemi di gestione termica. Questo materiale potrebbe in definitiva consentirci di progettare sistemi elettronici in modi diversi".

La ricerca, che è stato sostenuto dalla National Science Foundation, è stato riportato il 30 marzo nella pubblicazione anticipata online della rivista Nanotecnologia della natura . Il progetto ha coinvolto ricercatori del Georgia Institute of Technology, Università del Texas ad Austin, e la Raytheon Company. Virendra Singh, un ricercatore presso la Woodruff School, e Thomas Bougher, un dottorato di ricerca studente della Woodruff School, sono i co-primi autori del documento.

I materiali polimerici amorfi sono cattivi conduttori termici perché il loro stato disordinato limita il trasferimento di fononi conduttori di calore. Tale trasferimento può essere migliorato creando strutture cristalline allineate nei polimeri, ma quelle strutture - formate attraverso processi di trafilatura della fibra - possono lasciare il materiale fragile e facilmente fratturato mentre i dispositivi si espandono e si contraggono durante i cicli di riscaldamento e raffreddamento.

Il nuovo materiale di interfaccia è prodotto da un polimero coniugato, politiofene, in cui le catene polimeriche allineate nelle nanofibre facilitano il trasferimento dei fononi, ma senza la fragilità associata alle strutture cristalline, Cola ha spiegato. La formazione delle nanofibre produce un materiale amorfo con una conduttività termica fino a 4,4 watt per metro Kelvin a temperatura ambiente.

Il materiale è stato testato fino a 200 gradi Celsius, una temperatura che potrebbe renderlo utile per applicazioni in autoveicoli. I materiali di saldatura sono stati utilizzati per le interfacce termiche tra chip e dissipatori di calore, ma potrebbe non essere affidabile se utilizzato vicino alle loro temperature di riflusso.

"I polimeri in genere non sono pensati per queste applicazioni perché normalmente si degradano a una temperatura così bassa, " ha spiegato Cola. "Ma questi polimeri coniugati sono già utilizzati nelle celle solari e nei dispositivi elettronici, e possono anche funzionare come materiali termici. Stiamo sfruttando il fatto che hanno una maggiore stabilità termica perché il legame è più forte rispetto ai polimeri tipici".

Le strutture vengono coltivate in un processo a più fasi che inizia con uno stampo di allumina contenente minuscoli pori ricoperti da un elettrolita contenente precursori monomerici. Quando un potenziale elettrico viene applicato al modello, gli elettrodi alla base di ciascun poro attraggono i monomeri e iniziano a formare nanofibre cave. La quantità di corrente applicata e il tempo di crescita controllano la lunghezza delle fibre e lo spessore delle loro pareti, mentre la dimensione dei pori controlla il diametro. I diametri delle fibre vanno da 18 a 300 nanometri, a seconda del modello di poro.

Dopo la formazione delle catene monomeriche, le nanofibre sono reticolate con un processo di elettropolimerizzazione, e il modello rimosso. La struttura risultante può essere collegata a dispositivi elettronici attraverso l'applicazione di un liquido come acqua o solvente, che distende le fibre e crea adesione attraverso l'azione capillare e le forze di van der Waals.

"Con l'approccio al processo di polimerizzazione elettrochimica che abbiamo adottato, siamo riusciti ad allineare le catene del polimero, e il modello sembra impedire alle catene di piegarsi in cristalli in modo che il materiale sia rimasto amorfo, " ha spiegato Cola. "Anche se il nostro materiale è amorfo da un punto di vista cristallino, le catene polimeriche sono altamente allineate, circa il 40% in alcuni dei nostri campioni."

Sebbene la tecnica richieda ancora un ulteriore sviluppo e non sia completamente compresa a livello teorico, Cola ritiene che potrebbe essere ampliato per la produzione e la commercializzazione. Il nuovo materiale potrebbe consentire interfacce termiche affidabili fino a tre micron, rispetto ai 50-75 micron dei materiali convenzionali.

"Ci sono alcune sfide con la nostra soluzione, ma il processo è intrinsecamente scalabile in modo simile alla galvanica, " ha detto. "Questo materiale è ben noto per le sue altre applicazioni, ma il nostro è un uso diverso."

Gli ingegneri hanno cercato un materiale di interfaccia termica migliorato che potrebbe aiutare a rimuovere il calore dai dispositivi elettronici. Il problema della rimozione del calore è peggiorato poiché i dispositivi sono diventati sia più piccoli che più potenti.

Piuttosto che perseguire i materiali a causa della loro elevata conduttività termica, Cola e i suoi collaboratori hanno studiato i materiali che potrebbero fornire livelli più elevati di contatto nell'interfaccia. Questo perché in alcuni dei migliori materiali di interfaccia termica, meno dell'uno per cento del materiale stava effettivamente entrando in contatto.

"Ho smesso di pensare così tanto alla conduttività termica dei materiali e ho iniziato a pensare a quali tipi di materiali creano davvero un buon contatto in un'interfaccia, Cola ha detto. Ha deciso di perseguire i materiali politiofene dopo aver letto un documento che descrive un'applicazione "piede di geco" in cui il materiale ha fornito un contatto stimato dell'80 per cento.

Campioni del materiale sono stati testati a 200 gradi Celsius attraverso 80 cicli termici senza alcuna differenza rilevabile nelle prestazioni. Sebbene sia necessario ulteriore lavoro per comprendere il meccanismo, Cola ritiene che la robustezza derivi dall'adesione del polimero piuttosto che da un legame.

"Possiamo avere un contatto senza che si formi un legame permanente, " ha detto. "Non è permanente, quindi ha una sistemazione per lo stress incorporata. Scivola e lascia che lo stress del ciclismo termico si rilassi."

Oltre a quelli già citati, i coautori del documento includevano il professor Kenneth Sandhage, Ricercatore Ye Cai, l'assistente professore Asegun Henry e l'assistente laureato Wei Lv della Georgia Tech; Prof. Li Shi, Annie Weathers, Kedong Bi, Micheal T. Pettes e Sally McMenamin nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell'Università del Texas ad Austin; e Daniel P. Resler, Todd Gattuso e David Altman della Raytheon Company.

Sul materiale è stata depositata una domanda di brevetto. Cola has formed a startup company, Carbice Nanotechnologies, to commercialize thermal interface technologies. It is a member of Georgia Tech's VentureLab program.