Algunas veces, una simple decisión de probar algo poco convencional puede conducir a un descubrimiento significativo.

Un método bien conocido para fabricar disipadores de calor para dispositivos electrónicos es un proceso llamado sinterización, en el que el metal en polvo se forma en una forma deseada y luego se calienta al vacío para unir las partículas. Pero en un experimento reciente, algunos estudiantes intentaron sinterizar partículas de cobre en el aire y se llevaron una gran sorpresa.

En lugar de la esperada forma de metal sólido, lo que encontraron fue una masa de partículas a las que les habían crecido largos bigotes de cobre oxidado. "Fue algo fortuito, ”Dice Kripa Varanasi, d’Arbeloff Profesor adjunto de Ingeniería Mecánica en el MIT. "Tenemos estas cosas locas, partículas cubiertas de nanocables, ”, Dice.

El proceso resultante podría convertirse en un nuevo método importante para fabricar estructuras que abarcan un rango de tamaños de hasta unos pocos nanómetros (mil millonésimas de metro) de tamaño. "Pasas en un paso del polvo esférico sólido a estructuras muy complejas, "Dice Christopher Love, un estudiante graduado de ingeniería mecánica que es el autor principal del artículo. “El proceso es muy simple, y las estructuras son duraderas, ”, Dice. Estas nuevas estructuras podrían utilizarse para gestionar el flujo de calor en diversas aplicaciones que van desde centrales eléctricas hasta la refrigeración de componentes electrónicos.

No solo las partículas estaban cubiertas con alambres finos, pero la abundancia de cables resultó depender del tamaño de las partículas de cobre originales. “Somos los primeros en observar una oxidación dependiente del tamaño en el cobre, ”Dice Varanasi. Eso significa que los investigadores pueden sintetizar fácilmente estructuras porosas a varias escalas, al por mayor, seleccionando las partículas con las que comienzan:partículas más pequeñas que un cierto tamaño sinterizado, mientras que las partículas más grandes producen nanocables.

El descubrimiento se informa en un artículo que se publica en la revista RSC Nanoscale. Además de Varanasi y Love, Los autores del artículo son el estudiante graduado en ingeniería mecánica J. David Smith y el postdoctorado Yuehua Cui del Laboratorio de Manufactura y Productividad.

Tales estructuras jerárquicas pueden ser muy efectivas para la gestión térmica, enfriar todo, desde microprocesadores hasta las calderas de grandes centrales eléctricas. Incluso podrían resultar útiles en la energía geotérmica de ingeniería, que es muy prometedor como sistema para proporcionar limpieza, energía renovable. Debido a que las estructuras resultantes se controlan tan fácilmente, "Puede optimizarlos para controlar los fenómenos que tienen lugar en diferentes escalas de tiempo y duración, ”Dice Varanasi.

Si bien antes se había observado el crecimiento de nanocables en láminas de cobre a granel, Varanasi dice:esta es la primera vez que se observa en una variedad de escalas de tamaño a la vez, y la primera vez que se ha analizado y explicado el proceso. "Ha habido un montón de teorías diferentes sobre cómo crecen estos nanocables, ”, Dice. Pero ahora, “Este documento estableció a fondo” cuál es el mecanismo de las partículas de cobre:​​las cerdas crecen hacia afuera por difusión, dejando las partículas huecas en el medio a medida que el metal migra hacia afuera.

El equipo ahora está probando el mismo proceso con otros materiales. Por ejemplo, si funciona con circonio, el metal que ahora se usa como revestimiento para las barras de combustible en los reactores nucleares, podría ayudar a mejorar la transferencia de calor. En un reactor nuclear donde este proceso impulsa turbinas y produce energía, tal avance podría impulsar la eficiencia general de los reactores.

Además de la gestión térmica, estos resultados podrían ayudar a optimizar ciertos procesos catalíticos, Dice Varanasi.

Suresh Garimella, un profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Purdue que no participó en esta investigación, dice que la "naturaleza simple y potencialmente rentable del método" para el cultivo de nanocables de cobre "hace que los hallazgos sean significativos, ”Con aplicaciones potenciales que incluyen catálisis y gestión térmica.

Brent Segal, tecnólogo jefe de Lockheed Martin Nanosystems en Billerica, Masa., dice que se trata de un "trabajo importante para controlar las propiedades eléctricas y térmicas" de los materiales, y posiblemente también sus propiedades ópticas. Tal control, desde la escala microscópica hasta la nanoscópica, una diferencia de tamaño mil veces mayor, "no se ha visto antes" en un solo proceso, él dice.

Al ver la descripción del equipo de esta nueva técnica, Segal dice:"Inmediatamente piensas, "Quiero probar otros 75 materiales" "para ver si funcionan de manera similar. "Creo que 100 laboratorios diferentes en todo el país probarán todo lo que tienen en el estante" utilizando esta técnica, él añade.

El trabajo fue apoyado por el MIT Deshpande Center, un premio DARPA Young Faculty Award, la Iniciativa de Energía del MIT, y una beca de investigación para graduados de la National Science Foundation.