In un nuovo studio, scienziati giapponesi hanno progettato film flessibili a diffusione termica realizzati con matrice di nanofibre di cellulosa e riempitivo in fibra di carbonio utilizzando un pattern tridimensionale in fase liquida. I film preparati hanno mostrato una grande anisotropia di conducibilità termica nella direzione nel piano, aumentando la dissipazione del calore ed evitando l'interferenza termica tra le fonti di calore verso i dispositivi elettronici a film sottile. Credito:Kojiro Uetani da TUS, Giappone
Gli ultimi decenni hanno assistito a un enorme progresso nella tecnologia elettronica, con lo sviluppo di dispositivi più sottili, leggeri, flessibili e robusti. Tuttavia, man mano che i dispositivi diventano più sottili, aumenta anche lo spazio per ospitare i componenti interni di lavoro. Ciò ha creato un problema di dissipazione del calore impropria nei dispositivi a film sottile, poiché i materiali del dissipatore di calore convenzionali sono ingombranti e non possono essere integrati in essi. Pertanto, sono necessari materiali a diffusione termica che siano sottili e flessibili e possano essere implementati in dispositivi a film sottile per un'efficiente dissipazione del calore.
Attualmente, diversi materiali di substrato possono fungere da diffusori di calore come film sottili, ma la maggior parte del calore diffonde nella direzione nel piano in modo isotropico. Questo, a sua volta, potrebbe creare interferenze termiche con i componenti vicini di un dispositivo.
"Per un substrato su cui sono montati più dispositivi ad alta densità, è necessario controllare la direzione della diffusione termica e trovare un efficace percorso di rimozione del calore isolando termicamente tra i dispositivi. Lo sviluppo di film di substrato con alta anisotropia nel piano la conducibilità termica è, quindi, un obiettivo importante", spiega il Professore Associato Junior Kojiro Uetani della Tokyo University of Science (TUS) in Giappone, che ricerca materiali avanzati per la conducibilità termica e precedentemente apparteneva al SANKEN (The Institute of Scientific and Industrial Research), Università di Osaka.
In un recente studio pubblicato su ACS Applied Materials &Interfaces , il Dr. Uetani e il suo team, che comprende l'assistente professore Shota Tsuneyasu del National Institute of Technology, Oita College, e il Prof. Toshifumi Satoh del Politecnico di Tokyo, entrambi in Giappone, hanno riferito di un film nanocomposito di nuova concezione fatto di nanofibre di cellulosa e fibra di carbonio- riempitivi che hanno dimostrato un'eccellente conduttività termica anisotropica nel piano.
Molti compositi polimerici con riempitivi termicamente conduttivi sono stati proposti per migliorare la conduttività termica. Tuttavia, ci sono pochi rapporti su materiali con riempitivi particellari o simili a lastre che mostrano anisotropia di conducibilità termica, che è importante per prevenire l'interferenza termica tra dispositivi adiacenti. I riempitivi fibrosi come le fibre di carbonio (CF), d'altra parte, possono fornire anisotropia nel piano nei materiali bidimensionali grazie alla loro anisotropia strutturale.
È anche importante selezionare una matrice con un'elevata conduttività termica. È stato riportato che le nanofibre di cellulosa (CNF) estratte dal mantello delle ascidie mostrano una conduttività termica maggiore (circa 2,5 W/mK) rispetto ai polimeri convenzionali, rendendole adatte all'uso come materiale di dissipazione del calore. Come indicato dalla capacità di scrivere con una matita su carta, la cellulosa ha un'elevata affinità per i materiali al carbonio ed è facile da combinare con i riempitivi CF. Ad esempio, la CF idrofobica non può essere dispersa in acqua da sola, ma in presenza di CNF si disperde facilmente in acqua. Di conseguenza, il team ha scelto come matrice CNF derivati da ascidiana a base biologica (squirt di mare).
Per la sintesi dei materiali, il team ha preparato una sospensione acquosa di CF e CNF e quindi ha utilizzato una tecnica chiamata patterning 3D liquido. Il processo ha prodotto un nanocomposito costituito da una matrice di cellulosa con fibre di carbonio allineate uniassialmente. Per testare la conduttività termica delle pellicole, il team ha utilizzato il metodo della termometria a radiazione di riscaldamento periodico con spot laser.
Hanno scoperto che il materiale mostrava un'elevata anisotropia di conducibilità termica nel piano del 433% insieme a una conduttività di 7,8 W/mK nella direzione allineata e 1,8 W/mK nella direzione ortogonale nel piano. Hanno anche installato un dispositivo elettroluminescente in polvere (EL) su una pellicola CF/CNF per dimostrare l'effettiva dissipazione del calore. Inoltre, il film nanocomposito potrebbe raffreddare due pseudo sorgenti di calore ravvicinate senza alcuna interferenza termica.
Oltre alle eccellenti proprietà termiche, un altro grande vantaggio dei film CF/CNF è la loro riciclabilità. I ricercatori sono stati in grado di estrarre i CF bruciando la matrice di cellulosa, consentendone il riutilizzo. Nel complesso, questi risultati possono non solo fungere da struttura per la progettazione di film 2D con nuovi modelli di dissipazione del calore, ma anche incoraggiare la sostenibilità nel processo. "I rifiuti che noi esseri umani generiamo hanno un enorme impatto ambientale. I riempitivi termovettori, in particolare, sono spesso materiali specializzati e costosi. Di conseguenza, abbiamo voluto creare un materiale che non andasse sprecato dopo l'uso ma che potesse essere recuperato e riutilizzato per ulteriori applicazioni", conclude il dott. Uetani. + Esplora ulteriormente
