Un nuovo studio ha scoperto che "l'ondulazione" nelle foreste di nanotubi di carbonio allineati verticalmente riduce drasticamente la loro rigidità, rispondendo a una domanda di vecchia data che circonda le minuscole strutture.

Invece di essere un danno, l'ondulazione può rendere gli array di nanotubi più conformi e quindi utili come materiale di interfaccia termica per condurre il calore lontano dai futuri circuiti integrati ad alta potenza.

Misure di rigidità dei nanotubi, che è influenzato da una proprietà nota come modulo, aveva suggerito che le foreste di nanotubi allineati verticalmente dovrebbero avere una rigidità molto più elevata di quella che gli scienziati stavano effettivamente misurando. Il modulo effettivo ridotto era stato attribuito alla densità di crescita irregolare, e sull'instabilità dei nanotubi sotto compressione.

Però, sulla base di esperimenti, imaging al microscopio elettronico a scansione (SEM) e modellazione matematica, il nuovo studio ha scoperto che le sezioni attorcigliate dei nanotubi possono essere il meccanismo principale che riduce il modulo.

"Crediamo che il meccanismo che rende questi nanotubi più conformi sia una minuscola deformazione nella loro struttura, " disse Suresh Sitaraman, professore alla Woodruff School of Mechanical Engineering presso il Georgia Institute of Technology. "Anche se sembrano perfettamente dritti, ad alto ingrandimento abbiamo trovato ondulazioni nei nanotubi di carbonio che riteniamo spieghino la differenza tra ciò che viene misurato rispetto a ciò che ci si aspetterebbe".

La ricerca, che è stato sostenuto dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), è stato pubblicato online il 31 agosto 2013, nel diario Carbonio . Apparirà più avanti nell'edizione cartacea della rivista.

I nanotubi di carbonio forniscono molte proprietà attraenti, compresa l'elevata conduttività elettrica e termica, e ad alta resistenza. I singoli nanotubi di carbonio hanno un modulo che va da 100 gigapascal a 1,5 terapascal. Ci si aspetterebbe che array di nanotubi di carbonio allineati verticalmente con una bassa densità abbiano un modulo effettivo di almeno cinque-150 gigapascal, Sitaraman ha detto, ma gli scienziati hanno in genere misurato valori inferiori di quattro ordini o magnitudo, tra uno e 10 megapascal.

Per capire cosa potrebbe causare questa variazione, Sitaraman e Ph.D. gli studenti Nicholas Ginga e Wei Chen hanno studiato foreste di nanotubi di carbonio cresciuti su un substrato di silicio, poi ricopriva le punte delle strutture con un altro strato di silicio. Hanno quindi utilizzato un apparato di prova sensibile, un nanoindentatore, per comprimere campioni dei nanotubi e misurarne la rigidità. In alternativa, hanno anche posto i campioni dei sandwich di nanotubi di silicio sotto stress di trazione, separandoli invece di comprimerli.

Quello che hanno scoperto è che il modulo effettivo è rimasto basso - fino a 10, 000 volte meno del previsto, indipendentemente dal fatto che i sandwich di nanotubi siano stati compressi o separati. Ciò suggerisce problemi di crescita, o cedimento, non è riuscito a spiegare completamente le differenze osservate.

Per cercare possibili spiegazioni, i ricercatori hanno esaminato i nanotubi di carbonio utilizzando microscopi elettronici a scansione situati nelle strutture del Georgia Tech's Institute for Electronics and Nanotechnology. Con un ingrandimento di 10, 000 volte, hanno visto l'ondulazione nelle sezioni dei nanotubi.

"Abbiamo trovato piccolissime pieghe nei nanotubi di carbonio, " disse Sitaraman. "Anche se sembravano perfettamente dritti, c'era ondulazione in loro. Più ondulazioni abbiamo visto, minore era la loro rigidità."

Hanno anche notato che sotto compressione, i nanotubi si toccano, influenzare il comportamento dei nanotubi. Queste osservazioni sono state modellate matematicamente per aiutare a spiegare cosa si vedeva nelle diverse condizioni studiate.

"Abbiamo tenuto conto del contatto tra i nanotubi di carbonio, " ha detto Chen. "Questo ci ha permesso di studiare le condizioni estreme in cui la deformazione dei nanotubi è limitata dalla presenza di nanotubi vicini nella foresta".

Sebbene la perdita di modulo possa sembrare un problema, in realtà può essere utile nelle applicazioni di gestione termica, Sitaraman ha detto. La conformità dei nanotubi consente loro di connettersi a un circuito integrato in silicio su un lato, ed essere legato ad un dissipatore di calore in rame sull'altro lato. La flessibilità dei nanotubi consente loro di muoversi mentre le strutture superiore e inferiore si espandono e si contraggono a velocità diverse a causa delle variazioni di temperatura.

"La bellezza dei nanotubi di carbonio è che agiscono come molle tra il chip di silicio e il dissipatore di calore in rame, " ha detto Sitaraman. "Possono condurre molto calore a causa delle buone proprietà termiche, e allo stesso tempo, sono flessibili e compiacenti."

I nanotubi di carbonio hanno una conduttività termica straordinariamente elevata, fino a dieci volte quella del rame, rendendoli ideali per allontanare il calore dai trucioli.

"La richiesta di rimozione del calore dai trucioli continua ad aumentare, " ha detto Ginga. "L'industria è alla ricerca di nuovi materiali e nuove tecniche da aggiungere alla propria cassetta degli attrezzi per il trasferimento di calore. Saranno necessari approcci diversi per dispositivi diversi, e questo fornisce all'industria un nuovo modo di affrontare la sfida".