Qualche volta, una semplice decisione di provare qualcosa di non convenzionale può portare a una scoperta significativa.

Un metodo ben noto per realizzare dissipatori di calore per dispositivi elettronici è un processo chiamato sinterizzazione, in cui il metallo in polvere viene formato nella forma desiderata e quindi riscaldato nel vuoto per legare insieme le particelle. Ma in un recente esperimento, alcuni studenti hanno provato a sinterizzare particelle di rame nell'aria e hanno avuto una grande sorpresa.

Invece della prevista forma in metallo solido, quello che trovarono fu una massa di particelle a cui erano cresciuti lunghi baffi di rame ossidato. “Era una specie di serendipitoso, "dice Kripa Varanasi, d'Arbeloff Assistant Professor di Ingegneria Meccanica al MIT. “Abbiamo questa roba pazzesca, particelle ricoperte di nanofili, "dice.

Il processo risultante potrebbe rivelarsi un nuovo importante metodo per la produzione di strutture che coprono una gamma di dimensioni fino a pochi nanometri (miliardesimi di metro). “Si passa in un solo passo dalla polvere sferica solida a strutture molto complesse, "dice Christopher Love, uno studente laureato in ingegneria meccanica che è l'autore principale della carta. “Il processo è molto semplice, e le strutture sono durevoli, "dice. Queste nuove strutture potrebbero essere utilizzate per gestire il flusso di calore in varie applicazioni che vanno dalle centrali elettriche al raffreddamento dell'elettronica.

Non solo le particelle erano ricoperte di fili sottili, ma l'abbondanza dei fili si è rivelata dipendente dalla dimensione delle particelle di rame originali. “Siamo i primi ad osservare un'ossidazione dipendente dalle dimensioni nel rame, "Dice Varanasi. Ciò significa che i ricercatori possono facilmente sintetizzare strutture porose a varie scale, all'ingrosso, selezionando le particelle con cui iniziano:Particelle più piccole di una certa dimensione sinterizzate, mentre le particelle più grandi crescono nanofili.

La scoperta è riportata in un articolo in corso di pubblicazione sulla rivista RSC Nanoscale. Oltre a Varanasi e Love, gli autori del documento sono lo studente laureato in ingegneria meccanica J. David Smith e il postdoc Yuehua Cui del Laboratorio per la produzione e la produttività.

Tali strutture gerarchiche possono essere molto efficaci per la gestione termica, raffreddando tutto, dai microprocessori alle caldaie di enormi centrali elettriche. Potrebbero anche rivelarsi utili nell'energia geotermica ingegnerizzata, che è molto promettente come sistema per fornire pulito, energia rinnovabile. Poiché le strutture risultanti sono così facilmente controllabili, “si possono ottimizzare per controllare fenomeni che si verificano a diverse lunghezze e scale temporali, "Dice Varanasi.

Mentre la crescita di nanofili su fogli di rame sfusi era stata osservata in precedenza, Varanasi dice, questa è la prima volta che è stata osservata su una varietà di scale di dimensioni contemporaneamente, e la prima volta che il processo è stato analizzato e spiegato. “Ci sono state un sacco di teorie diverse su come crescono questi nanofili, "dice. Ma ora, "questo documento ha stabilito a fondo" qual è il meccanismo per le particelle di rame:le setole crescono verso l'esterno attraverso la diffusione, lasciando le particelle vuote nel mezzo mentre il metallo migra verso l'esterno.

Il team sta ora testando lo stesso processo con altri materiali. Per esempio, se funziona con lo zirconio, il metallo ora utilizzato come rivestimento per le barre di combustibile nei reattori nucleari, potrebbe aiutare a migliorare il trasferimento di calore. In un reattore nucleare, dove questo processo aziona le turbine e produce energia, un tale progresso potrebbe aumentare l'efficienza complessiva dei reattori.

Oltre alla gestione termica, questi risultati potrebbero aiutare ad ottimizzare alcuni processi catalitici, dice Varanasi.

Certo Garimella, un professore di ingegneria meccanica alla Purdue University che non era coinvolto in questa ricerca, afferma che la "natura semplice e potenzialmente conveniente del metodo" per la coltivazione di nanofili di rame "rende i risultati significativi, ” con potenziali applicazioni tra cui catalisi e gestione termica.

Brent Segal, capo tecnologo presso Lockheed Martin Nanosistemi a Billerica, Messa., afferma che si tratta di "un lavoro significativo sul controllo delle proprietà elettriche e delle proprietà termiche" dei materiali, e forse anche le loro proprietà ottiche. Tale controllo, dalla scala microscopica a quella nanoscopica - una differenza di dimensioni mille volte maggiore - "non è stata vista prima" in un singolo processo, lui dice.

Dopo aver visto la descrizione del team di questa nuova tecnica, Segal dice, “Pensi subito, 'Voglio provare altri 75 materiali'” per vedere se funzionano in modo simile. "Penso che 100 diversi laboratori in tutto il paese proveranno tutto ciò che hanno sullo scaffale" usando questa tecnica, Aggiunge.

Il lavoro è stato sostenuto dal MIT Deshpande Center, un premio DARPA Young Faculty, l'iniziativa energetica del MIT, e una borsa di ricerca per laureati della National Science Foundation.