Micrografie elettroniche a scansione (SEM) delle superfici microstrutturate di silicio per gli esperimenti di ebollizione. Le dimensioni dei micropilastri sono ben definite per consentire studi sistematici degli effetti della rugosità superficiale sul flusso di calore critico (CHF). Immagine:Kuang-Han Chu et al. Lettere di fisica applicata
I sistemi di raffreddamento che utilizzano un liquido che cambia fase, come l'acqua che bolle su una superficie, possono svolgere un ruolo importante in molte tecnologie in via di sviluppo, compresi microchip avanzati e sistemi a energia solare concentrata. Ma capire esattamente come funzionano questi sistemi, e quali tipi di superfici massimizzano il trasferimento di calore, è rimasto un problema impegnativo.
Ora, ricercatori del MIT hanno scoperto che relativamente semplice, l'irruvidimento su microscala di una superficie può aumentare notevolmente il suo trasferimento di calore. Un tale approccio potrebbe essere molto meno complesso e più duraturo degli approcci che migliorano il trasferimento di calore attraverso modelli più piccoli nell'intervallo dei nanometri (miliardesimi di metro). La nuova ricerca fornisce anche un quadro teorico per analizzare il comportamento di tali sistemi, indicando la strada per miglioramenti ancora maggiori.
Il lavoro è stato pubblicato questo mese sulla rivista Lettere di fisica applicata , in un documento scritto dallo studente laureato Kuang-Han Chu, postdoc Ryan Enright ed Evelyn Wang, professore associato di ingegneria meccanica.
“La dissipazione del calore è un grosso problema” in molti campi, soprattutto elettronica, Wang dice; l'uso di liquidi a cambiamento di fase come l'acqua bollente per trasferire calore lontano da una superficie "è stata un'area di notevole interesse per molti decenni". non c'è stata una buona comprensione dei parametri che determinano come i diversi materiali, e in particolare la strutturazione della superficie, potrebbero influenzare le prestazioni di trasferimento del calore. “A causa della complessità del processo di cambiamento di fase, solo di recente abbiamo la capacità di manipolare "superfici" per ottimizzare il processo, Wang dice, grazie ai progressi della micro e nanotecnologia.
Chu afferma che una delle principali applicazioni potenziali è nelle server farm, dove la necessità di mantenere freschi molti processori contribuisce in modo significativo ai costi energetici. Mentre questa ricerca ha analizzato l'uso dell'acqua per il raffreddamento, aggiunge che il team "crede che questa ricerca sia generalizzabile, non importa quale sia il fluido.”
Immagini time-lapse della partenza delle bolle di vapore sulle superfici microstrutturate (a-d). Immagine:Kuang-Han Chu et al, Lettere di fisica applicata
Il team ha concluso che il motivo per cui la rugosità superficiale migliora notevolmente il trasferimento di calore - più che raddoppiando la massima dissipazione del calore - è che migliora l'azione capillare in superficie, aiutando a mantenere una linea di bolle di vapore "appuntate" alla superficie di trasferimento del calore, ritardando la formazione di uno strato di vapore che riduce notevolmente il raffreddamento.
Per testare il processo, i ricercatori hanno realizzato una serie di wafer di silicio delle dimensioni di un francobollo con vari gradi di rugosità superficiale, compresi alcuni campioni perfettamente lisci per il confronto. Il grado di rugosità è misurato come la porzione di superficie che può venire a contatto con un liquido, rispetto a una superficie completamente liscia. (Per esempio, se hai accartocciato un pezzo di carta e poi l'hai appiattito in modo da coprire un'area grande la metà del foglio originale, che rappresenterebbe una rugosità di 2.)
I ricercatori hanno scoperto che l'aumento sistematico della rugosità ha portato ad un aumento proporzionale della capacità di dissipazione del calore, indipendentemente dalle dimensioni delle caratteristiche di irruvidimento superficiale. I risultati hanno mostrato che un semplice irruvidimento della superficie migliora il trasferimento di calore tanto quanto le migliori tecniche precedenti studiate, che ha utilizzato un processo molto più complesso per produrre modelli su scala nanometrica sulla superficie.
Oltre al lavoro sperimentale, il team ha sviluppato un modello analitico che corrisponde in modo molto preciso ai risultati osservati. I ricercatori possono ora utilizzare quel modello per ottimizzare le superfici per particolari applicazioni.
"C'è stata una comprensione limitata del tipo di strutture necessarie" per un efficace trasferimento di calore, dice Wang. Questa nuova ricerca “serve come un primo passo importante” verso tale analisi.
Si scopre che il trasferimento di calore è quasi interamente una funzione della rugosità complessiva di una superficie, Wang dice, e si basa sull'equilibrio tra varie forze agenti sulle bolle di vapore che servono a dissipare il calore:tensione superficiale, slancio e galleggiabilità.
Mentre le applicazioni più immediate sarebbero probabilmente in dispositivi elettronici ad alte prestazioni, e forse in sistemi a energia solare concentrata, gli stessi principi potrebbero essere applicati a sistemi più grandi come caldaie per centrali elettriche, impianti di desalinizzazione o reattori nucleari, dicono i ricercatori.
Satish Kandlikar, un professore di ingegneria meccanica al Rochester Institute of Technology che non era coinvolto in questo lavoro, afferma che è "abbastanza notevole ottenere flussi di calore" così grandi come questi "su superfici di silicio senza complesse fasi del processo di micro o nanofabbricazione. Questo sviluppo apre le porte a una nuova classe di strutture superficiali che combinano caratteristiche su micro e nanoscala". Aggiunge che il team del MIT "dovrebbe essere complimentato per questa importante scoperta. Fornirà nuove direzioni soprattutto nelle applicazioni di raffreddamento dei trucioli”.
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
