Baratunde Cola vorrebbe mettere della sabbia nel tuo computer. Non sabbia da spiaggia, ma nanoparticelle di biossido di silicio rivestite con un polimero ad alta costante dielettrica per fornire a buon mercato un migliore raffreddamento per dispositivi elettronici sempre più affamati di energia.

Il biossido di silicio non fa il raffreddamento stesso. Anziché, le proprietà superficiali uniche del materiale rivestito in nanoscala conducono il calore con un'efficienza potenzialmente più elevata rispetto ai materiali del dissipatore di calore esistenti. La fisica teorica dietro il fenomeno è complicata, coinvolgendo effetti elettromagnetici su nanoscala creati sulla superficie delle minuscole particelle di biossido di silicio che agiscono insieme.

La linea di fondo potrebbe essere una classe potenzialmente nuova di materiali ad alta conducibilità termica utili per la dissipazione del calore dall'elettronica di potenza, LED e altre applicazioni con flussi di calore elevati.

"Abbiamo dimostrato per la prima volta che è possibile prendere un letto di nanoparticelle imballato che normalmente fungerebbe da isolante, e facendo sì che la luce si accoppi fortemente nel materiale progettando un mezzo ad alta costante dielettrica come acqua o glicole etilenico sulle superfici, puoi trasformare il letto di nanoparticelle in un conduttore, " disse Cola, professore associato presso la Woodruff School of Mechanical Engineering presso il Georgia Institute of Technology. "Utilizzando l'effetto elettromagnetico superficiale collettivo delle nanoparticelle, la conduttività termica può aumentare di 20 volte, permettendogli di dissipare il calore."

La ricerca, che ha coinvolto sia la teoria che l'esperimento, è riportato nel numero di luglio della rivista Orizzonti di materiali , ed è stato evidenziato nel numero dell'8 luglio della rivista Science. Il lavoro è stato supportato dall'Air Force Research Laboratory e dalla US Air Force. I coautori includono il professor James Hammonds della Howard University, e gli studenti laureati Eric Tervo della Georgia Tech e Olalekan Adewuyi della Howard University.

Negli ultimi anni, articoli teorici hanno previsto la capacità dei polaritoni fononici di superficie di aumentare la conduzione termica nei nanomateriali realizzati con materiali polari come il biossido di silicio. I polaritoni sono quasiparticelle quantistiche prodotte da un forte accoppiamento di onde elettromagnetiche con un'eccitazione che trasporta un dipolo elettrico o magnetico. Nel caso specifico dei polaritoni fononici di superficie, le onde elettromagnetiche sono accoppiate ad una certa frequenza e polarizzazione di atomi vibranti nel materiale noto come fononi ottici. Quando i materiali vengono ridotti a dimensioni inferiori a 100 nanometri, le proprietà superficiali del materiale prevalgono sulle proprietà di massa, permettendo ai fononi di calore di fluire da particella a particella nel letto strettamente impaccato con l'assistenza delle onde elettromagnetiche accoppiate.

Sebbene i ricercatori non fossero in grado di misurare in precedenza il flusso di calore dai polaritoni fononici di superficie a causa di difficoltà sperimentali, hanno osservato la loro propagazione delle onde quando la luce colpisce la superficie di un materiale nanostrutturato, suggerendo un ruolo potenziale nella dissipazione del calore. Oltre alla prima misurazione del flusso di calore, Cola e i suoi collaboratori hanno anche scoperto che l'effetto può verificarsi quando l'energia termica viene aggiunta a un letto pieno di nanoparticelle.

"Quello che mostriamo anche per la prima volta è che quando si hanno nanoparticelle del tipo giusto in un letto pieno, che non devi far luce su di loro, " ha spiegato. "Basta riscaldare le nanoparticelle e l'autoemissione termica ne attiva l'effetto. Crei un campo elettrico attorno alle nanoparticelle da questa radiazione termica".

I ricercatori hanno deciso di sperimentare quelle proprietà speciali, prima usando l'acqua per rivestire le nanoparticelle e trasformare il letto di nanoparticelle di biossido di silicio in un conduttore. Ma il rivestimento all'acqua non era robusto, così i ricercatori sono passati al glicole etilenico, un fluido comunemente usato nell'antigelo dei veicoli. La nuova combinazione ha aumentato il trasferimento di calore di un fattore di 20 a circa un watt per metro-kelvin, che è superiore al valore che le nanoparticelle di glicole etilenico o di biossido di silicio potrebbero produrre da sole, e competitivo con i costosi compositi polimerici utilizzati per la dissipazione del calore.

"In pratica potresti prendere un dispositivo elettronico, imballare queste nanoparticelle rivestite di glicole etilenico nello spazio aereo, e sarebbe utile come materiale di dissipazione del calore che allo stesso tempo, non conduce elettricità, " ha detto Cola. "Il materiale ha il potenziale per essere molto economico e facile da lavorare".

Il biossido di silicio è stato scelto perché il suo reticolo cristallino può generare fononi ottici risonanti - necessari per l'effetto - a circa temperatura ambiente. Possono essere utilizzati anche altri materiali, ma le nanoparticelle di biossido di silicio forniscono un buon compromesso tra proprietà e costo.

"La frequenza di risonanza, convertito nella temperatura di radiazione termica per il biossido di silicio, è di circa 50 gradi Celsius, " disse Cola. "Con questo materiale, possiamo attivare questo effetto a un intervallo di temperatura che è probabile che un dispositivo microelettronico possa vedere".

Sebbene il glicole etilenico funzioni bene, alla fine evaporerà. Per tale motivo, Cola prevede di identificare i materiali polimerici che potrebbero essere adsorbiti alle nanoparticelle di biossido di silicio per fornire un rivestimento più stabile con una durata ragionevole del prodotto.

L'effetto dipende dall'azione collettiva delle nanoparticelle di biossido di silicio.

"Stiamo sostanzialmente mostrando una traduzione macroscopica di un effetto su scala nanometrica, " ha detto Cola. "Anche se il letto di nanoparticelle è un assemblaggio di massa, è un assieme sfuso che ha molta superficie interna. La superficie interna è la porta attraverso la quale interagisce con il campo elettromagnetico, la luce e il calore."

Finora, l'effetto è stato dimostrato in piccole quantità di nanoparticelle di biossido di silicio. Un altro passo sarebbe quello di ampliare lo studio per dimostrare che il calore può essere trasferito su distanze maggiori in volumi maggiori del materiale, disse Cola.

"La velocità con cui l'energia termica passa da un lato della particella all'altro lato della particella è costante in tutto il letto di nanoparticelle, quindi non dovrebbe importare quanto sia spesso il letto di nanoparticelle, " ha spiegato. "Quando queste particelle sono abbastanza vicine tra loro, le loro modalità sono accoppiate, che permette all'energia di trasportare."

Sarebbero necessari ulteriori test per garantire l'efficienza a lungo termine e per confermare che non vi sono impatti sull'affidabilità dei dispositivi elettronici raffreddati con la tecnica, disse Cola.