A Baratunde Cola le gustaría poner arena en su computadora. No arena de playa, sino nanopartículas de dióxido de silicio recubiertas con un polímero de alta constante dieléctrica para proporcionar un enfriamiento mejorado para dispositivos electrónicos cada vez más hambrientos de energía.
El dióxido de silicio no se enfría por sí mismo. En cambio, las propiedades de superficie únicas del material recubierto a nanoescala conducen el calor a una eficiencia potencialmente mayor que los materiales de disipador de calor existentes. La física teórica detrás del fenómeno es complicada e involucra efectos electromagnéticos a nanoescalacreado en la superficie de las diminutas partículas de dióxido de silicio que actúan juntas.
El resultado final podría ser una clase potencialmente nueva de materiales de alta conductividad térmica útiles para la disipación de calor de la electrónica de potencia, LED y otras aplicaciones con altos flujos de calor.
"Hemos demostrado por primera vez que puede tomar un lecho de nanopartículas empaquetado que normalmente actuaría como un aislante, y al hacer que la luz se acople fuertemente al material mediante la ingeniería de un medio dieléctrico de alta constante como agua o etilenglicol en elsuperficies, puede convertir el lecho de nanopartículas en un conductor ", dijo Cola, profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Mecánica Woodruff del Instituto de Tecnología de Georgia." Al utilizar el efecto electromagnético de superficie colectiva de las nanopartículas, la conductividad térmica puede aumentar 20doble, permitiendo que disipe el calor "
La investigación, que involucró teoría y experimento, se informa en la edición de julio de la revista Horizontes de materiales y se destacó en la edición del 8 de julio de la revista Science. El trabajo fue apoyado por el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea y la Fuerza Aérea de los EE. UU. Los coautores incluyen al Profesor James Hammonds en la Universidad de Howard y los estudiantes graduados Eric Tervo de GeorgiaTech y Olalekan Adewuyi de la Universidad de Howard.
En los últimos años, los trabajos teóricos han predicho la capacidad de los polaritones de fonón de superficie para aumentar la conducción térmica en nanomateriales hechos de materiales polares como el dióxido de silicio. Los polaritones son cuasipartículas cuánticas producidas por un fuerte acoplamiento de ondas electromagnéticas con un dipolo eléctrico o magnético.llevando excitación. En el caso específico de los polaritones de fonón de superficie, las ondas electromagnéticas se acoplan a una cierta frecuencia y polarización de átomos vibrantes en el material conocido como fonones ópticos. Cuando los materiales se reducen a tamaños inferiores a 100 nanómetros, las propiedades de la superficie del materialdominan las propiedades a granel, permitiendo que los fonones de calor fluyan de partícula a partícula en el lecho estrechamente empaquetado con la ayuda de las ondas electromagnéticas acopladas.
Aunque los investigadores no podían medir previamente el flujo de calor de los polaritones de fonón de la superficie debido a dificultades experimentales, han observado su propagación de ondas cuando la luz golpea la superficie de un material de nanoestructura, lo que sugiere un papel potencial en la disipación de calor. Además de la primera medición deflujo de calor, Cola y sus colaboradores también descubrieron que el efecto puede ocurrir cuando se agrega energía térmica a un lecho lleno de nanopartículas.
"Lo que también mostramos por primera vez es que cuando tienes nanopartículas del tipo correcto en una cama compacta, no tienes que iluminarlas", explicó. "Simplemente puedes calentar ellas nanopartículas y la autoemisión térmica activan el efecto. Se crea un campo eléctrico alrededor de las nanopartículas a partir de esta radiación térmica ".
Los investigadores decidieron experimentar con esas propiedades especiales, primero usando agua para recubrir las nanopartículas y convertir el lecho de nanopartículas de dióxido de silicio en un conductor. Pero el recubrimiento de agua no era robusto, por lo que los investigadores cambiaron a etilenglicol, un fluido comúnmente usadoen anticongelante de vehículos. La nueva combinación aumentó la transferencia de calor en un factor de 20 a aproximadamente un vatio por metro-kelvin, que es más alto que el valor que las nanopartículas de etilenglicol o dióxido de silicio podrían producir solas, y compite con los costosos compuestos de polímeros utilizados para el calordisipación.
"Básicamente, podría tomar un dispositivo electrónico, empacar estas nanopartículas recubiertas de etilenglicol en el espacio aéreo, y sería útil como material de disipación de calor que, al mismo tiempo, no conducirá electricidad", dijo Cola ".El material tiene el potencial de ser muy económico y fácil de trabajar ".
Se eligió dióxido de silicio porque su red cristalina puede generar fonones ópticos resonantes, necesarios para el efecto, a aproximadamente temperatura ambiente. También se podrían usar otros materiales, pero las nanopartículas de dióxido de silicio proporcionan un buen compromiso de propiedades y costo.
"La frecuencia de resonancia, convertida en la temperatura de radiación térmica para el dióxido de silicio, es de alrededor de 50 grados centígrados", dijo Cola. "Con este material, podemos activar este efecto a un rango de temperatura que es probable que un dispositivo microelectrónico vea"
Aunque el etilenglicol funciona bien, eventualmente se evaporará. Por esa razón, Cola planea identificar materiales poliméricos que podrían adsorberse a las nanopartículas de dióxido de silicio para proporcionar un recubrimiento más estable con una vida útil del producto razonable.
El efecto depende de la acción colectiva de las nanopartículas de dióxido de silicio.
"Básicamente, estamos mostrando una traducción macroscópica de un efecto a nanoescala", dijo Cola. "Aunque el lecho de nanopartículas es un conjunto a granel, es un conjunto a granel que tiene mucha superficie interna. El área de superficie interna es elpuerta de enlace por la que interactúa con el campo electromagnético: la luz y el calor ".
Hasta ahora, el efecto se ha demostrado en pequeñas cantidades de nanopartículas de dióxido de silicio. Otro paso sería ampliar el estudio para demostrar que el calor se puede transferir a distancias más grandes en volúmenes más grandes del material, dijo Cola.
"La velocidad a la que la energía térmica pasa de un lado de la partícula al otro lado de la partícula es constante en todo el lecho de nanopartículas, por lo que no debería importar qué tan grueso sea el lecho de nanopartículas", explicó.estas partículas están lo suficientemente juntas, sus modos están acoplados, lo que permite que la energía se transporte ".
Se necesitarían más pruebas para garantizar la eficiencia a largo plazo y para confirmar que no hay impactos en la confiabilidad de los dispositivos electrónicos enfriados con la técnica, dijo Cola.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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