(Phys.org) —Un equipo de investigadores interdisciplinarios del Instituto Politécnico Rensselaer ha desarrollado un nuevo método para aumentar significativamente la tasa de transferencia de calor a través de dos materiales diferentes. Resultados del estudio del equipo, publicado en la revista Materiales de la naturaleza , podría permitir nuevos avances en la refrigeración de chips de computadora y dispositivos de diodos emisores de luz (LED), recolectando energía solar, cosechando calor residual, y otras aplicaciones.

Al intercalar una capa de "nanopegamento" ultradelgado entre cobre y sílice, el equipo de investigación demostró un aumento de cuatro veces en la conductancia térmica en la interfaz entre los dos materiales. Menos de un nanómetro (o una mil millonésima parte de un metro) de espesor, el nanoglue es una capa de moléculas que forman fuertes vínculos con el cobre (un metal) y la sílice (una cerámica), que de otro modo no se pegarían bien. Este tipo de bloqueo nanomolecular mejora la adherencia, y también ayuda a sincronizar las vibraciones de los átomos que componen los dos materiales que, Sucesivamente, facilita el transporte más eficiente de partículas de calor llamadas fonones. Más allá del cobre y la sílice, el equipo de investigación ha demostrado que su enfoque funciona con otras interfaces metal-cerámicas.

La transferencia de calor es un aspecto crítico de muchas tecnologías diferentes. A medida que los chips de computadora se vuelven más pequeños y complejos, Los fabricantes buscan constantemente nuevos y mejores medios para eliminar el exceso de calor de los dispositivos semiconductores para aumentar la confiabilidad y el rendimiento. Con dispositivos fotovoltaicos, por ejemplo, una mejor transferencia de calor conduce a una conversión más eficiente de la luz solar en energía eléctrica. Los fabricantes de LED también están buscando formas de aumentar la eficiencia reduciendo el porcentaje de energía de entrada que se pierde en forma de calor. Ganapati Ramanath, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Rensselaer, quién dirigió el nuevo estudio, dijo que la capacidad de mejorar y optimizar la conductancia térmica interfacial debería conducir a nuevas innovaciones en estas y otras aplicaciones.

"Las interfaces entre diferentes materiales son a menudo cuellos de botella en el flujo de calor debido al transporte sofocado de fonones. La inserción de un tercer material generalmente solo empeora las cosas debido a que se crea una interfaz adicional, ", Dijo Ramanath." Sin embargo, Nuestro método de introducir una nanocapa ultrafina de moléculas orgánicas que se unen fuertemente con ambos materiales en la interfaz da lugar a aumentos múltiples en la conductancia térmica interfacial. contrariamente a la mala conducción de calor que se observa en las interfaces inorgánico-orgánicas. Este método para ajustar la conductancia térmica mediante el control de la adhesión utilizando una nanocapa orgánica funciona para sistemas de múltiples materiales, y ofrece un nuevo medio para la manipulación a nivel atómico y molecular de múltiples propiedades en diferentes tipos de interfaces de materiales. También, es genial poder hacer esto de manera bastante discreta mediante el simple método de autoensamblaje de una sola capa de moléculas ".

Resultados del nuevo estudio, titulado "Mejora de la conductancia térmica inducida por enlaces en heterointerfaces inorgánicos utilizando monocapas nanomoleculares, "fueron publicados en línea recientemente por Materiales de la naturaleza , y aparecerá en una próxima edición impresa de la revista.

El equipo de investigación utilizó una combinación de experimentos y teoría para validar sus hallazgos.

"Nuestro estudio establece la correlación entre la fuerza de unión interfacial y la conductancia térmica, que sirve para sustentar nuevas descripciones teóricas y abrir nuevas formas de controlar la transferencia de calor interfacial, "dijo el coautor Pawel Keblinski, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Rensselaer.

"Es realmente notable que una sola capa molecular pueda producir una mejora tan grande en las propiedades térmicas de las interfaces mediante la formación de fuertes enlaces interfaciales. Esto sería útil para controlar el transporte de calor para muchas aplicaciones en electrónica, Encendiendo, y generación de energía, "dijo el coautor Masashi Yamaguchi, profesor asociado del Departamento de Física, Física Aplicada, y Astronomía en Rensselaer.

"El objetivo general de la investigación patrocinada por la NSF del profesor Ramanath es dilucidar, using first-principles-based models, the effects of molecular chemistry, chemical environment, interface topography, and thermo-mechanical cycling on the thermal conductance of metal-ceramic interfaces modified with molecular nanolayers, " said Clark V. Cooper, senior advisor for science at the NSF Directorate for Mathematical and Physical Sciences, who formerly held the post of program director for Materials and Surface Engineering. "Consistent with NSF's mission, the focus of his research is to advance fundamental science, but the potential societal benefits of the research are enormous."

"This is a fascinating example of the interplay between the physical, químico, and mechanical properties working in unison at the nanoscale to determine the heat transport characteristics at dissimilar metal-ceramic interfaces, " said Anupama B. Kaul, a program director for the Division of Electrical, Communications, and Cyber Systems at the NSF Directorate for Engineering. "The fact that the organic nanomolecular layer is just a monolayer in thickness and yet has such an important influence on the thermal characteristics is truly remarkable. Dr. Ramanath's results should be particularly valuable in nanoelectronics where heat management due to shrinking device dimensions continues to be an area of active research."