"Fantastico!" Questa è una direttiva primaria per i chip dei microprocessori e una nuova promettente soluzione per soddisfare questo imperativo è in vista. I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno sviluppato una tecnica "process friendly" che consentirebbe il raffreddamento dei chip del microprocessore attraverso nanotubi di carbonio.

Frank Ogletree, un fisico della divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, ha condotto uno studio in cui le molecole organiche sono state utilizzate per formare forti legami covalenti tra i nanotubi di carbonio e le superfici metalliche. Ciò ha migliorato di sei volte il flusso di calore dal metallo ai nanotubi di carbonio, spianando la strada per un più veloce, raffreddamento più efficiente dei chip del computer. La tecnica viene eseguita attraverso la chimica del vapore gassoso o del liquido a basse temperature, rendendolo adatto per la produzione di chip per computer.

"Abbiamo sviluppato percorsi di legame covalente che funzionano per i metalli che formano ossido, come alluminio e silicio, e per i metalli più nobili, come oro e rame, "dice Ogletree, che serve come ingegnere del personale per l'Imaging Facility presso la Molecular Foundry, un centro di nanoscienze DOE ospitato da Berkeley Lab. "In entrambi i casi l'adesione meccanica è migliorata in modo che i legami superficiali fossero abbastanza forti da estrarre una matrice di nanotubi di carbonio dal suo substrato di crescita e migliorare significativamente il trasporto di calore attraverso l'interfaccia".

Ogletree è l'autore corrispondente di un articolo che descrive questa ricerca in Comunicazioni sulla natura . Il documento è intitolato "Enhanced Thermal Transport at Covalently Functionalized Carbon Nanotube Array Interfaces". I coautori sono Sumanjeet Kaur, Nachiket Raravikar, Brett Helms e Ravi Prasher.

Il surriscaldamento è la rovina dei microprocessori. Mentre i transistor si surriscaldano, le loro prestazioni possono deteriorarsi al punto da non funzionare più come transistor. Con i chip del microprocessore che diventano più densi e le velocità di elaborazione che continuano ad aumentare, il problema del surriscaldamento incombe sempre di più. La prima sfida consiste nel condurre il calore fuori dal chip e sul circuito stampato dove possono essere utilizzate ventole e altre tecniche per il raffreddamento. I nanotubi di carbonio hanno dimostrato una conduttività termica eccezionalmente elevata, ma il loro utilizzo per il raffreddamento di chip di microprocessori e altri dispositivi è stato ostacolato da elevate resistenze di interfaccia termica nei sistemi nanostrutturati.

"La conduttività termica dei nanotubi di carbonio supera quella del diamante o di qualsiasi altro materiale naturale, ma poiché i nanotubi di carbonio sono così chimicamente stabili, le loro interazioni chimiche con la maggior parte degli altri materiali sono relativamente deboli, che rende l'elevata resistenza dell'interfaccia termica, " dice Ogletree. "Intel è venuto alla fonderia molecolare volendo migliorare le prestazioni dei nanotubi di carbonio nei dispositivi. Lavorando con Nachiket Raravikar e Ravi Prasher, che erano entrambi ingegneri Intel quando il progetto è stato avviato, siamo riusciti ad aumentare e rafforzare il contatto tra i nanotubi di carbonio e le superfici di altri materiali. Ciò riduce la resistenza termica e migliora sostanzialmente l'efficienza del trasporto di calore."

Sumanjeet Kaur, autore principale di Comunicazioni sulla natura carta e un esperto di nanotubi di carbonio, con l'assistenza del co-autore e chimico della Molecular Foundry Brett Helms, utilizzato molecole reattive per colmare l'interfaccia nanotubi di carbonio/metallo - aminopropil-trialcossi-silano (APS) per i metalli che formano ossido, e cisteamina per i metalli nobili. I primi array di nanotubi di carbonio allineati verticalmente sono stati coltivati ​​su wafer di silicio, e sottili pellicole di alluminio o oro sono state evaporate su vetrini coprioggetto per microscopio in vetro. I film metallici sono stati quindi "funzionalizzati" e hanno permesso di legarsi con gli array di nanotubi di carbonio. Il flusso di calore migliorato è stato confermato utilizzando una tecnica di caratterizzazione sviluppata da Ogletree che consente misurazioni specifiche dell'interfaccia del trasporto di calore.

"Si può pensare alla resistenza dell'interfaccia nel flusso di calore allo stato stazionario come a una distanza aggiuntiva che il calore deve attraversare attraverso il materiale, " dice Kaur. "Con i nanotubi di carbonio, la resistenza dell'interfaccia termica aggiunge qualcosa come 40 micron di distanza su ciascun lato dell'effettivo strato di nanotubi di carbonio. Con la nostra tecnica, siamo in grado di ridurre la resistenza dell'interfaccia in modo che la distanza extra sia di circa sette micron su ciascuna interfaccia".

Sebbene l'approccio utilizzato da Ogletree, Kaur e i loro colleghi hanno sostanzialmente rafforzato il contatto tra un metallo e singoli nanotubi di carbonio all'interno di un array, la maggior parte dei nanotubi all'interno dell'array potrebbe ancora non riuscire a connettersi con il metallo. Il team di Berkeley sta ora sviluppando un modo per migliorare la densità dei contatti nanotubi di carbonio/metallo. La loro tecnica dovrebbe essere applicabile anche a dispositivi di grafene a strato singolo e multistrato, che affrontano gli stessi problemi di raffreddamento.

"Parte della nostra missione presso la Molecular Foundry è aiutare a sviluppare soluzioni per i problemi tecnologici postici dagli utenti industriali che sollevano anche questioni scientifiche fondamentali, " Dice Ogletree. "Nello sviluppo di questa tecnica per affrontare un problema tecnologico del mondo reale, abbiamo anche creato strumenti che forniscono nuove informazioni sulla chimica fondamentale".