I conduttori asimmetrici potrebbero rivoluzionare i sistemi di raffreddamento per computer e altri dispositivi.
di ArXiv
Il calore è una seccatura per gli ingegneri elettrici. Riduce l’affidabilità dei dispositivi elettronici e può anche farli andare in tilt. Ecco perché i componenti del computer sono generosamente imbrattati di pasta termica e collegati a tubi di calore, ventole e persino a sistemi di raffreddamento ad acqua.
L’obiettivo è incanalare il calore lontano dai componenti sensibili in modo che possa dissipare nell’ambiente. Ma man mano che i dispositivi si riducono, la sfida diventa più complessa al punto che i transistor moderni, per esempio, vengono misurati in nanometri.
I conduttori più efficienti in termini di costi sono metalli come il rame, ma il calore li attraversa ugualmente bene in tutte le direzioni. Ciò significa che il calore può diffondersi a qualsiasi altro componente che si trovi a contatto termico con il metallo.
Un conduttore più efficace è in grado di incanalare il calore in una direzione, ma non in quella perpendicolare, che permetterebbe di far viaggiare il calore lungo tale materiale, senza passargli attraverso.
Questo tipo di conduttore asimmetrico semplificherebbe notevolmente la vita degli ingegneri termici. Ma crearli è difficile.
Shingi Yamaguchi dell’Università di Tokyo in Giappone e un gruppo di colleghi hanno creato un materiale con nanotubi di carbonio accuratamente allineati che conducono il calore proprio in questo modo. Il nuovo materiale ha il potenziale per rivoluzionare il modo in cui gli ingegneri termici progettano e costruiscono sistemi di raffreddamento per computer e altri dispositivi.
Ma facciamo un piccolo passo indietro. Gli scienziati dei materiali sanno bene che i nanotubi di carbonio sono conduttori eccezionali. Questi minuscoli tubi hanno una conduttanza termica superiore a 1.000 W m-1 K-1. In confronto, il rame ha una conduttanza termica di circa 400 W m-1 K-1.
Il problema sorge quando gli scienziati dei materiali tentano di ricavare un materiale allo stato sfuso dai nanotubi. Lo fanno permettendo ai tubi di depositarsi su un substrato di plastica, formando uno strato. Ma i nanotubi tendono ad essere mal allineati o disposti in modo casuale.
Di conseguenza, hanno uno scarso contatto termico tra loro e questo riduce la conduttività del materiale allo stato sfuso. “È essenziale eliminare queste carenze strutturali per utilizzare l’elevata conduttanza termica dei singoli nanotubi di carbonio in assiemi di nanotubi di carbonio allineati”, afferma Yamaguchi. La sua soluzione è semplice: creare un materiale in cui i nanotubi di carbonio sono allineati con precisione e sono quindi in buon contatto termico da estremità a estremità.
Ciò è possibile grazie a una tecnica nota come filtrazione sotto vuoto controllata. Nel 2012, i fisici hanno scoperto che in determinate circostanze, i nanotubi di carbonio fluttuanti possono formare una struttura auto-organizzata in cui tutti si allineano come in un cristallo.
I nanotubi vengono prima miscelati insieme in un liquido contenente un tensioattivo che ne riduce la tensione superficiale. A condizione che la concentrazione di nanotubi sia inferiore a un livello critico, essi iniziano quindi ad auto-organizzarsi sulla superficie del liquido e diventano densamente allineati.
Il liquido viene quindi rimosso aspirandolo attentamente e lentamente attraverso un filtro usando un vuoto, lasciando intatti i nanotubi. Il risultato è un foglio sottile di nanotubi altamente allineati con alcune proprietà straordinarie.
Yamaguchi afferma che il nuovo materiale conduce calore nella direzione dell’allineamento dei nanotubi con una conduttanza termica di 43 W m-1 K-1. Al contrario, la conduttanza nella direzione perpendicolare è di tre ordini di grandezza inferiore a 0,085 W m-1 K-1, più o meno la stessa della vetroresina.
In altre parole, il materiale è 500 volte più efficiente nel condurre in una direzione che nell’altra: la più grande asimmetria mai osservata per questo tipo di materiali.
Il motivo è semplice. Quando i nanotubi sono in contatto termico con le estremità, il calore si sposta facilmente da uno all’altro. Ma i tubi non hanno un buon contatto termico lungo la loro lunghezza, poiché l’impronta del contatto è minuscola per i tubi uno accanto all’altro.
Yamaguchi e colleghi sottolineano i limiti del loro nuovo materiale. Sebbene abbia proprietà enormemente asimmetriche, la sua massima conducibilità termica è di soli 43 W m-1 K-1, quasi uguale alla saldatura stagno/piombo.
Tuttavia, pensano di sapere perché sia così bassa rispetto a quella dei singoli nanotubi di carbonio. A loro parere, il contatto termico da un capo all’altro non è perfetto. Ogni salto che il calore deve fare da un nanotubo al successivo riduce la conduttanza termica. E più corti sono i tubi, più salti sono necessari.
Yamaguchi usa nanotubi lunghi appena 200 nanometri. “Ciò suggerisce che la conduttanza termica nella direzione dell’allineamento dei nanotubi possa essere ancora maggiore con nanotubi di carbonio costituenti più lunghi”, egli spiega.
Realizzare un materiale simile con nanotubi più lunghi non sarà assolutamente semplice. Il comportamento auto-organizzante che crea le pellicole allineate è più difficile per i nanotubi più lunghi. Ma questo tipo di sfida nella scienza dei materiali vedrà sicuramente Yamaguchi e colleghi in prima fila.
(rp)
