Questo rivestimento a livello di nanoscala di ossido di zinco sopra una piastra di rame ha il potenziale per aumentare drasticamente le caratteristiche di trasferimento del calore e portare a una rivoluzione nella tecnologia di riscaldamento e raffreddamento, secondo gli esperti dell'Oregon State University e del Pacific Northwest National Laboratory. (Foto per gentile concessione dell'Oregon State University)
I ricercatori dell'Oregon State University e del Pacific Northwest National Laboratory hanno scoperto un nuovo modo di applicare i rivestimenti di nanostrutture per rendere il trasferimento di calore molto più efficiente, con importanti potenziali applicazioni per dispositivi ad alta tecnologia e per l'industria del riscaldamento e raffreddamento convenzionale.
Questi rivestimenti possono rimuovere il calore quattro volte più velocemente degli stessi materiali prima che vengano rivestiti, utilizzando materiali economici e procedure applicative.
La scoperta ha il potenziale per rivoluzionare la tecnologia di raffreddamento, dicono gli esperti.
I risultati sono stati appena annunciati nel Giornale internazionale di trasferimento di calore e di massa , ed è stata depositata una domanda di brevetto.
"Per le configurazioni che abbiamo studiato, questo approccio raggiunge il trasferimento di calore che si avvicina ai massimi teorici, " disse Terry Hendricks, il capo progetto del Pacific Northwest National Laboratory. "Questo è abbastanza significativo."
Il miglioramento del trasferimento di calore ottenuto modificando le superfici su scala nanometrica ha possibili applicazioni in sistemi industriali sia su micro che macro scala, ricercatori hanno detto. I rivestimenti hanno prodotto un "coefficiente di scambio termico" 10 volte superiore alle superfici non rivestite.
Lo scambio di calore è stato un problema significativo in molti dispositivi meccanici sin dalla rivoluzione industriale.
Il radiatore e l'acqua circolante in un motore di automobile esistono per affrontare questo problema. Gli scambiatori di calore sono ciò che fa funzionare i moderni condizionatori o frigoriferi, e il raffreddamento inadeguato è un fattore limitante per molte applicazioni tecnologiche avanzate, che vanno dai computer portatili ai sistemi radar avanzati.
"Molti dispositivi elettronici devono rimuovere rapidamente molto calore, ed è sempre stato difficile da fare, " disse Chih-hung Chang, professore associato alla Scuola di Chimica, Ingegneria biologica e ambientale presso l'Oregon State University. "Questa combinazione di una nanostruttura sopra una microstruttura ha il potenziale per il trasferimento di calore che è molto più efficiente di qualsiasi cosa che abbiamo avuto prima".
C'è abbastanza inefficienza nel trasferimento di calore, ad esempio, che l'acqua raggiunga il punto di ebollizione di 100 gradi centigradi, la temperatura delle piastre adiacenti deve spesso essere di circa 140 gradi centigradi. Ma con questo nuovo approccio, attraverso la loro temperatura e una nanostruttura che incoraggia letteralmente lo sviluppo di bolle, l'acqua bolle quando piatti simili sono solo a circa 120 gradi centigradi.
Per fare questo, le superfici di scambio termico sono rivestite con un'applicazione nanostrutturata di ossido di zinco, che in questo utilizzo sviluppa una superficie multi-strutturata che sembra quasi dei fiori, e ha forme extra e forze capillari che incoraggiano la formazione di bolle e una rapida, rifornimento efficiente dei siti di ebollizione attivi.
In questi esperimenti, l'acqua è stata utilizzata, ma potrebbero essere utilizzati anche altri liquidi con caratteristiche di raffreddamento diverse o addirittura migliori, hanno detto i ricercatori. Il rivestimento di ossido di zinco su substrati di alluminio e rame è poco costoso e può essere applicato in modo economico su grandi aree.
A causa di ciò, questa tecnologia ha il potenziale non solo per affrontare i problemi di raffreddamento nell'elettronica avanzata, gli scienziati hanno detto, ma potrebbe anche essere utilizzato nel riscaldamento più convenzionale, applicazioni di raffreddamento e condizionamento dell'aria. Alla fine potrebbe trovare la sua strada in qualsiasi cosa, da un laser a impulsi brevi a un condizionatore d'aria domestico o sistemi a pompa di calore più efficienti. Sono probabili anche applicazioni elettroniche militari che utilizzano grandi quantità di energia, ricercatori hanno detto.
La ricerca è stata supportata dal Laboratorio di Ricerca dell'Esercito. Sono in corso ulteriori studi per sviluppare applicazioni commerciali più ampie, ricercatori hanno detto.
"Questi risultati suggeriscono la possibilità di molti tipi di ingegneria selettiva, modelli nanostrutturati per migliorare il comportamento di ebollizione utilizzando soluzioni chimiche e processi a basso costo, " hanno scritto gli scienziati nel loro studio. "Come processi di soluzione, questi microreattori assistiti, gli approcci di deposizione di nanomateriali sono meno costosi degli approcci di nanotubi di carbonio, e, cosa più importante, le temperature di lavorazione sono basse."
