Quando gli ingegneri progettano dispositivi, spesso devono unire due materiali che si espandono e si contraggono a velocità diverse al variare della temperatura. Tali differenze termiche possono causare problemi se, ad esempio, un chip semiconduttore è inserito in una presa che non può espandersi e contrarsi abbastanza rapidamente da mantenere un contatto ininterrotto nel tempo.

Il potenziale di guasto in tali momenti critici si è intensificato man mano che i dispositivi si sono ridotti alla nanoscala, mettendo in gioco forze sottili che tirano atomi e molecole, causando ceppi difficili da osservare, tanto meno da evitare.

Scrivendo nel Atti dell'Accademia Nazionale ( PNAS ), Gli ingegneri di Stanford riferiscono su come creare strutture di nanotubi di carbonio che rimangono forti ed elastiche in queste interfacce critiche in cui lo stress termico è intrinseco al design.

"Pensa al dissipatore di calore per un microprocessore, " ha detto anziano PNAS autore Kenneth Goodson, Professore e cattedra Bosch di ingegneria meccanica a Stanford. "È esposto a flussi di calore elevati per lunghi periodi di tempo, e ripetute istanze di riscaldamento e raffreddamento."

Attualmente in tali giunzioni sono stati utilizzati materiali come saldature e gel. Ma mentre l'elettronica continua a ridursi, più energia elettrica viene spinta attraverso circuiti più piccoli, sottoporre i materiali a sollecitazioni termiche sempre maggiori.

"La saldatura ha un'elevata conduttività termica, ma è rigido, " Goodson ha detto, spiegando perché il suo laboratorio continua a sperimentare con i nanotubi di carbonio a parete singola. Poco prima di questo PNAS contributo, il suo team ha descritto le proprietà termiche favorevoli dei nanotubi in un articolo per Recensioni di Fisica Moderna (Vol. 85, pp. 1296-1327).

I nanotubi sono filamenti infinitamente sottili di atomi di carbonio che hanno il potenziale per essere efficienti nel condurre il calore. Sono anche forti per le loro dimensioni, e possono essere flessibili a seconda di come sono fabbricati.

La Stanford PNAS la carta si basava su esperimenti e simulazioni progettati per rivelare come creare strutture di nanotubi di carbonio (CNT) con la miscela ottimale di tutte e tre le caratteristiche:resistenza, flessibilità, e conducibilità termica – che sono richieste in punti critici in cui lo stress termico è un dato di fatto.

Il documento di Stanford rappresenta circa cinque anni di lavoro di squadra centrato nel dipartimento di ingegneria meccanica di Stanford, compresi gli esperimenti condotti dal primo autore Yoonjin Won, allora studente di dottorato in ingegneria meccanica.

Ha usato una varietà di tecniche esistenti per assemblare CNT con diverse caratteristiche strutturali, e quindi misurato la flessibilità (chiamata anche modulo) e la conduttività termica di ciascuna struttura per cercare la struttura ottimale.

Lasciato alla natura, gli atomi di carbonio che formano i CNT creeranno strutture che, se potessimo vederle, assomigliano a una ciotola di spaghetti.

Ma Won ha lavorato con i collaboratori dell'Università di Tokyo per creare CNT che sono cresciuti relativamente dritti, come erbe. Si verificava ancora un certo grado di coinvolgimento. Il controllo preciso della crescita dei CNT rimane al di fuori della portata della scienza.

Tuttavia, Gli esperimenti di Won hanno mostrato che i CNT più lunghi, cresciuti meno densamente insieme, sembrava avere la migliore combinazione di flessibilità, conducibilità termica e resistenza, per l'uso in elettronica e altre applicazioni industriali in cui è previsto uno stress termico.

In una certa misura le sue scoperte rappresentano un compromesso. più denso, le strutture CNT più corte sono più forti e più efficienti nel dissipare il calore. Ma sono anche più aggrovigliati e più rigidi. I risultati sperimentali di Won hanno mostrato che man mano che i filamenti di CNT si allungavano, tendevano a crescere più dritte ed erano meno aggrovigliate, che ha aumentato la flessibilità della struttura, anche se con alcune perdite accettabili negli altri due parametri.

Poiché l'obiettivo finale di questo lavoro è quello di rivelare come ottimizzare le strutture CNT da utilizzare come materiali a trasferimento termico, il team di Stanford ha costruito una simulazione al computer del processo di assemblaggio dei CNT con l'obiettivo di capire come i CNT si sono piegati e impigliati nonostante gli sforzi per farli crescere dritti.

Il lavoro sulla simulazione è stato condotto da Wei Cai, un professore associato di ingegneria meccanica a Stanford, che detiene un incarico di cortesia in scienza e ingegneria dei materiali. Gli scienziati di Stanford volevano capire il modo in cui le forze di van der Waals influenzano la crescita dei CNT.

Queste forze prendono il nome dal fisico olandese che per primo descrisse le deboli attrazioni che esistono tra le molecole, attrazioni che non potevano essere spiegate da altre forze note come i legami chimici che risultano quando gli atomi condividono gli elettroni.

Cai ha affermato che mentre le forze di van der Waals potrebbero non essere critiche in altri tipi di strutture, i nanotubi di carbonio sono così sottili - un semplice atomo o così spesso di diametro - che queste minuscole forze potrebbero influenzarli fondamentalmente.

Questo è infatti ciò che la simulazione ha mostrato. Immagina un CNT che tenta di crescere dritto, solo per essere piegato da un lato dall'attrazione di van der Waal di un altro incrocio CNT vicino alla sua cima, e forse piegato dall'altra parte da un diverso CNT che si avvicina al fondo.

Presi insieme, i risultati sperimentali e la simulazione al computer rafforzano i risultati che più a lungo, CNT meno aggrovigliati offrirebbero la migliore miscela delle caratteristiche desiderate forza, flessibilità e trasferimento di calore. Ma a causa delle forze di van der Waals che operano su questi tubi di carbonio dello spessore di un atomo, gli ingegneri dovranno accettare alcune piegature e irregolarità mentre si sforzano di creare lavorabili, anche se tutt'altro che ideale, strutture per la dissipazione del calore.

"Quando si sente parlare di nanotecnologia di solito si tratta di superlativi, il più forte questo, il più sottile, " ha detto Goodson. "Ma pensiamo che le risposte staranno nel trovare le giuste combinazioni di proprietà, qualcosa che è forte e conduce il calore come un metallo, ma può anche flettersi e piegarsi."