Man mano che i nostri dispositivi elettronici diventano più sofisticati, inoltre generano più calore che deve essere rilasciato per le massime prestazioni. Damena Agonafer, un ingegnere meccanico e scienziato dei materiali presso la McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis, sta perfezionando un modo per dissipare il calore attraverso un processo unico che coinvolge minuscole gocce di liquido sopra una serie di micropilastri.

In una nuova ricerca pubblicata sulla copertina della rivista Langmuir 17 settembre Agonafer, assistente professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali, lavorato con goccioline di liquidi diversi su strutture a micropilastri di forme diverse:triangoli, quadrati e cerchi. Le gocce sulla sommità dei micropilastri sono simili a quando un bicchiere d'acqua è troppo pieno quanto basta per formare una forma emisferica, o un menisco, sulla parte superiore del bicchiere prima che un'altra goccia lo faccia traboccare.

Le strutture a micropilastri di Agonafer trattengono goccioline di liquido con i loro bordi taglienti che formano una barriera energetica sulla superficie che impedisce al liquido di fuoriuscire. Alcuni liquidi, come l'acqua, creare un'elevata tensione superficiale e creare la massima pressione quando la linea di contatto è appuntata sul bordo del poro interno del micropilastro. Altri liquidi, come alcol isopropilico o refrigerante, creare una bassa tensione superficiale e creare la massima pressione quando la linea di contatto è appuntata sul bordo esterno della struttura.

Agonafer ha scoperto che la forma del micropilastro faceva la differenza nella quantità di liquido che conteneva prima che le goccioline si rovesciassero. Il lavoro, il primo a studiare la ritenzione dei liquidi su strutture a pilastri asimmetriche, fornisce informazioni sulla progettazione di strutture micro e nanoingegnerizzate di superficie nel campo della scienza e dell'ingegneria.

"Vogliamo che la goccia rimanga in posizione sopra il micropilastro perché aiuta il processo di raffreddamento, " Agonafer ha detto. "La forma asimmetrica migliora il trasferimento di calore. Il menisco è dove si verifica il più alto trasferimento di calore per evaporazione, quindi abbiamo voluto provare ad aumentare quella regione".

In precedenza, Agonafer ha sviluppato una membrana con microscopici pilastri circolari progettati per dissipare il calore nei dispositivi elettronici. Basò la membrana sulla pelle idrorepellente del collembolo, un antico insetto che può respirare attraverso la pelle anche sott'acqua. È stato il primo lavoro a utilizzare un liquido a bassa tensione superficiale all'interno di strutture a membrana porosa.

Nella nuova ricerca, Agonafer e il suo team hanno scoperto che una goccia appuntata su un micropilastro triangolare ha assorbito la minor quantità di liquido prima di fuoriuscire, noto come volume critico di scoppio. Quando hanno usato i liquidi ad alta tensione superficiale alcool isopropilico e liquido dielettrico, la modifica della forma del micropilastro da circolare a triangolare ha portato a una riduzione dell'83% e del 76% del volume critico di scoppio, rispettivamente.

In definitiva, scoprì che il micropilastro circolare aveva un accumulo di volume liquido più uniforme rispetto ai micropilastri triangolari e quadrati.

"La ritenzione di liquidi sulle strutture a pilastro asimmetrico aveva caratteristiche molto diverse rispetto al pilastro cilindrico, " ha detto. "Il menisco liquido potrebbe non necessariamente bagnare l'intera parte superiore della superficie del micropilastro asimmetrico, creando una sfida significativa per l'analisi del profilo di equilibrio."

Agonafer e il suo laboratorio stanno ora lavorando per ottimizzare la forma e il modello dei micropilastri su un array verso lo sviluppo di un dispositivo di scambio di calore evaporativo.