La sorprendente scoperta di un nuovo modo per regolare e migliorare la conduttività termica - una proprietà di base generalmente considerata fissa per un determinato materiale - offre agli ingegneri un nuovo strumento per gestire gli effetti termici in smartphone e computer, laser e una serie di altri dispositivi alimentati.

La scoperta è stata fatta da un gruppo di ingegneri guidati da Deyu Li, professore associato di ingegneria meccanica presso la Vanderbilt University, e pubblicato online sulla rivista Nanotecnologia della natura l'11 dicembre

Li e i suoi collaboratori hanno scoperto che la conduttività termica di una coppia di sottili strisce di materiale chiamate nanonastri di boro può essere aumentata fino al 45 percento a seconda del processo che hanno usato per incollare insieme i due nastri. Sebbene la ricerca sia stata condotta con nanonastri di boro, i risultati sono generalmente applicabili ad altri materiali a film sottile.

Un modo completamente nuovo per controllare gli effetti termici "Questo indica un modo completamente nuovo per controllare gli effetti termici che potrebbe avere un impatto significativo nella microelettronica sulla progettazione di smartphone e computer, in optoelettronica sulla progettazione di laser e LED, e in molti altri campi, " ha detto Greg Walker, professore associato di ingegneria meccanica alla Vanderbilt ed esperto di trasporto termico non direttamente coinvolto nella ricerca.

Secondo Li, la forza che tiene insieme i due nanonastri è una debole attrazione elettrostatica chiamata forza di van der Waals. (Questa è la stessa forza che permette al geco di camminare sui muri.)

"Tradizionalmente, è opinione diffusa che i fononi che trasportano il calore siano sparsi alle interfacce di van der Waals, che rende la conduttività termica dei fasci di nastro uguale a quella di ciascun nastro. Ciò che abbiamo scoperto è in netto contrasto con questa visione classica. Mostriamo che i fononi possono attraversare queste interfacce senza essere dispersi, che migliora notevolmente la conducibilità termica, " ha detto Li. Inoltre, i ricercatori hanno scoperto che potevano controllare la conduttività termica tra un valore alto e uno basso trattando l'interfaccia delle coppie di nanonastri con soluzioni diverse.

Il miglioramento è completamente reversibile

Uno degli aspetti notevoli dell'effetto scoperto da Li è che è reversibile. Per esempio, quando i ricercatori hanno bagnato l'interfaccia di un paio di nanonastri con alcol isopropilico, pressatele insieme e lasciatele asciugare, la conduttività termica era la stessa di quella di un singolo nanonastro. Però, quando li bagnarono con alcool puro e li lasciarono asciugare, la conducibilità termica è stata migliorata. Quindi, quando li bagnarono di nuovo con alcool isopropilico, la conducibilità termica è scesa al valore basso originale.

"È molto difficile mettere a punto una proprietà fondamentale dei materiali come la conduttività termica e la conducibilità termica regolabile dimostrata rende la ricerca particolarmente interessante, " ha detto Walker.

Una delle prime aree in cui è probabile che questa nuova conoscenza venga applicata è nella gestione termica di dispositivi microelettronici come i chip per computer. Oggi, da miliardi a trilioni di transistor sono incastrati in chip delle dimensioni di un'unghia. Questi chip generano così tanto calore che uno dei fattori principali nella loro progettazione è prevenire il surriscaldamento. Infatti, la gestione del calore è una delle ragioni principali alla base dei design dei processori multi-core di oggi.

"Una migliore comprensione del trasporto termico attraverso le interfacce è la chiave per ottenere una migliore gestione termica dei dispositivi microelettronici, " disse Li.

La scoperta può migliorare la progettazione dei nanocompositi

Un'altra area in cui la scoperta sarà importante è nella progettazione di "nanocompositi" - materiali realizzati incorporando additivi nanostrutturali come i nanotubi di carbonio in un materiale ospite come vari polimeri - che vengono sviluppati per l'uso in dispositivi elettronici flessibili, materiali strutturali per veicoli aerospaziali e una varietà di altre applicazioni.