Un materiale nanotubo conduce il calore in una sola direzione

fotografia di nanotubi in fase di creazione beni comuni di Wikimedia

Il calore è una seccatura per gli ingegneri elettrici. Riduce l'affidabilità dei dispositivi elettronici e addirittura li fa guastare completamente. Ecco perché i componenti del computer sono abbondantemente imbrattati con pasta termica e collegati a tubi di calore, ventole e persino sistemi di raffreddamento ad acqua.

L'obiettivo è incanalare il calore lontano dai componenti sensibili in modo che possa disperdersi nell'ambiente. Ma man mano che i dispositivi diventano più piccoli, la sfida diventa più acuta e i transistor moderni, ad esempio, vengono misurati in nanometri.

I conduttori più economici 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 sia anche a contatto termico con il metallo.

Un conduttore più efficace canalizzerebbe il calore in una direzione ma non in quella perpendicolare. In questo caso, il calore viaggerebbe lungo un tale materiale ma non attraverso di esso.

Questo tipo di conduttore asimmetrico semplificherebbe notevolmente la vita degli ingegneri termici. Ma crearli è difficile.

Entrano Shingi Yamaguchi dell'Università di Tokyo in Giappone e un gruppo di colleghi, che hanno creato un materiale da nanotubi di carbonio accuratamente allineati che conduce il calore proprio in questo modo. La nuova sostanza ha il potenziale per rivoluzionare il modo in cui gli ingegneri termici progettano e costruiscono sistemi di raffreddamento per computer e altri dispositivi.

Prima un po' di background. 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 cercano di ricavare un materiale sfuso dai nanotubi. Lo fanno consentendo 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, sono in scarso contatto termico tra loro e questo riduce la conduttività del materiale sfuso. È essenziale eliminare queste carenze strutturali per utilizzare l'elevata conduttanza termica dei singoli nanotubi di carbonio negli assiemi di nanotubi di carbonio allineati, afferma Yamaguchi e co.

La loro soluzione è semplice: creano un materiale in cui i nanotubi di carbonio sono allineati con precisione e sono quindi in buon contatto termico end-to-end.

Questo è possibile grazie a una tecnica nota come filtrazione sotto vuoto controllata. Già nel 2012, i fisici hanno scoperto che in determinate circostanze, i nanotubi di carbonio galleggianti possono formare una struttura auto-organizzata in cui si allineano tutti 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 dei nanotubi sia al di sotto di un certo livello critico, iniziano quindi ad auto-organizzarsi sulla superficie del liquido e si allineano densamente.

Il liquido viene quindi rimosso aspirandolo con cura e lentamente attraverso un filtro usando un vuoto, lasciando dietro di sé i nanotubi. Il risultato è un sottile foglio di nanotubi altamente allineati con alcune proprietà straordinarie.

Yamaguchi e colleghi affermano che il nuovo materiale conduce il 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, circa la stessa della fibra di vetro.

In altre parole, il materiale ha una conduzione 500 volte migliore in una direzione rispetto all'altra, la più grande asimmetria mai osservata per questo tipo di materiali.

Il motivo è semplice. Quando i nanotubi sono in contatto termico da un capo all'altro, il calore viaggia facilmente da uno all'altro. Ma i tubi non sono in buon contatto termico lungo la loro lunghezza, poiché l'impronta di contatto è minima per i tubi uno accanto all'altro.

Yamaguchi e compagni si affrettano a sottolineare i limiti del loro nuovo materiale. Sebbene abbia proprietà estremamente asimmetriche, la sua massima conduttività termica è di soli 43 W m-1 K-1, più o meno la stessa della saldatura stagno/piombo.

Tuttavia, pensano di sapere perché è così basso rispetto a quello dei singoli nanotubi di carbonio. Dicono che sebbene i nanotubi siano in contatto termico da un capo all'altro, questo contatto non è perfetto. Ogni salto che il calore deve fare da un nanotubo all'altro riduce la conduttanza termica. E più corti sono i tubi, più salti sono necessari.

Yamaguchi e colleghi usano nanotubi lunghi solo 200 nanometri. Ciò suggerisce che la [conduttanza termica nella direzione dell'allineamento dei nanotubi] può essere ancora maggiore con nanotubi di carbonio costituenti più lunghi, dicono.

Realizzare un materiale simile con nanotubi più lunghi non sarà necessariamente semplice. Il comportamento auto-organizzante che crea i film allineati è più difficile per i nanotubi più lunghi. Ma questo tipo di sfida alla scienza dei materiali interesserà sicuramente Yamaguchi e co e altri. Senza dubbio gli esperimenti sono già in corso, con gli ingegneri termici che tengono le dita incrociate.

Rif: arxiv.org/abs/1911.11340 : Trasporto termico unidirezionale in pellicole di nanotubi di carbonio a parete singola densamente allineate

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