Un nuevo estudio ha descubierto que la "ondulación" en los bosques de nanotubos de carbono alineados verticalmente reduce drásticamente su rigidez. respondiendo a una pregunta de larga data que rodea a las diminutas estructuras.

En lugar de ser un perjuicio, la ondulación puede hacer que las matrices de nanotubos sean más compatibles y, por lo tanto, útiles como material de interfaz térmica para conducir el calor lejos de los futuros circuitos integrados de alta potencia.

Medidas de rigidez de nanotubos, que está influenciado por una propiedad conocida como módulo, había sugerido que los bosques de nanotubos alineados verticalmente deberían tener una rigidez mucho mayor que la que los científicos estaban midiendo en realidad. El módulo efectivo reducido se había atribuido a una densidad de crecimiento desigual, y al pandeo de los nanotubos bajo compresión.

Sin embargo, basado en experimentos, generación de imágenes de microscopio electrónico de barrido (SEM) y modelado matemático, El nuevo estudio encontró que las secciones retorcidas de nanotubos pueden ser el mecanismo principal que reduce el módulo.

"Creemos que el mecanismo que hace que estos nanotubos sean más compatibles es una pequeña deformación en su estructura, "dijo Suresh Sitaraman, profesor de la Escuela de Ingeniería Mecánica Woodruff en el Instituto de Tecnología de Georgia. "Aunque parecen estar perfectamente rectos, con un gran aumento, encontramos ondulaciones en los nanotubos de carbono que creemos explica la diferencia entre lo que se mide y lo que se esperaría ".

La investigación, que fue apoyado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA), se publicó en línea el 31 de agosto de 2013, en el diario Carbón . Aparecerá más adelante en la edición impresa de la revista.

Los nanotubos de carbono proporcionan muchas propiedades atractivas, incluyendo alta conductividad eléctrica y térmica, y alta resistencia. Los nanotubos de carbono individuales tienen un módulo que varía de 100 gigapascales a 1,5 terapascales. Se esperaría que las matrices de nanotubos de carbono alineados verticalmente con una densidad baja tuvieran un módulo efectivo de al menos cinco a 150 gigapascales, Sitaraman dijo:pero los científicos normalmente han medido valores que son cuatro órdenes o una magnitud menor, entre uno y 10 megapascales.

Para comprender qué podría estar causando esta variación, Sitaraman y Ph.D. los estudiantes Nicholas Ginga y Wei Chen estudiaron bosques de nanotubos de carbono cultivados sobre un sustrato de silicio, luego cubrió las puntas de las estructuras con otra capa de silicio. Luego utilizaron un aparato de prueba sensible, un nanoindentador, para comprimir muestras de los nanotubos y medir su rigidez. Alternativamente, también colocaron muestras de los sándwiches de nanotubos de silicio bajo tensión de tracción, separándolos en lugar de comprimirlos.

Lo que encontraron fue que el módulo efectivo se mantuvo bajo, hasta 10, 000 veces menos de lo esperado, independientemente de si los sándwiches de nanotubos se comprimieron o se separaron. Eso sugiere problemas de crecimiento, o pandeo, no pudo explicar completamente las diferencias observadas.

Para buscar posibles explicaciones, los investigadores examinaron los nanotubos de carbono utilizando microscopios electrónicos de barrido ubicados en las instalaciones del Instituto de Electrónica y Nanotecnología de Georgia Tech. Con un aumento de 10, 000 veces, vieron la ondulación en las secciones de los nanotubos.

"Encontramos pliegues muy pequeños en los nanotubos de carbono, "dijo Sitaraman." Aunque parecían estar perfectamente rectos, había ondulaciones en ellos. Cuanta más ondulación vimos, cuanto menor era su rigidez ".

También notaron que bajo compresión, los nanotubos contactan entre sí, influir en el comportamiento de los nanotubos. Estas observaciones se modelaron matemáticamente para ayudar a explicar lo que se estaba viendo en las diferentes condiciones estudiadas.

"Tomamos en cuenta el contacto entre los nanotubos de carbono, ", dijo Chen." Esto nos permitió investigar las condiciones extremas en las que la deformación de los nanotubos está limitada por la presencia de nanotubos vecinos en el bosque ".

Aunque la pérdida de módulo puede parecer un problema, en realidad, puede ser útil en aplicaciones de gestión térmica, Dijo Sitaraman. La conformidad de los nanotubos les permite conectarse a un circuito integrado de silicio en un lado, y estar unido a un esparcidor de calor de cobre en el otro lado. La flexibilidad de los nanotubos les permite moverse a medida que las estructuras superior e inferior se expanden y contraen a diferentes velocidades debido a los cambios de temperatura.

"La belleza de los nanotubos de carbono es que actúan como resortes entre el chip de silicio y el difusor de calor de cobre, ", dijo Sitaraman." Pueden conducir mucho calor debido a sus buenas propiedades térmicas, y al mismo tiempo, son flexibles y dóciles ".

Los nanotubos de carbono tienen una conductividad térmica extraordinariamente alta, hasta diez veces mayor que el cobre, haciéndolos ideales para alejar el calor de las virutas.

"La demanda de eliminación de calor de las virutas sigue aumentando, ", dijo Ginga." La industria ha estado buscando nuevos materiales y nuevas técnicas para agregar a su caja de herramientas para la transferencia de calor. Se necesitarán diferentes enfoques para diferentes dispositivos, y esto proporciona a la industria una nueva forma de abordar el desafío ".