Cuando los ingenieros diseñan dispositivos, a menudo deben unir dos materiales que se expanden y contraen a diferentes velocidades a medida que cambian las temperaturas. Tales diferencias térmicas pueden causar problemas si, por ejemplo, un chip semiconductor se conecta a un enchufe que no puede expandirse y contraerse lo suficientemente rápido como para mantener un contacto ininterrumpido a lo largo del tiempo.

El potencial de fallas en coyunturas tan críticas se ha intensificado a medida que los dispositivos se han reducido a la escala nanométrica, poner en juego fuerzas sutiles que tiran de átomos y moléculas, provocando tensiones que son difíciles de observar, mucho menos evitar.

Escribiendo en el Actas de la Academia Nacional ( PNAS ), Los ingenieros de Stanford informan sobre cómo crear estructuras de nanotubos de carbono que permanezcan fuertes y flexibles en estas interfaces críticas donde el estrés térmico es intrínseco al diseño.

"Piense en el disipador de calor de un microprocesador, "dijo mayor PNAS autor Kenneth Goodson, Profesor y Cátedra Bosch de Ingeniería Mecánica en Stanford. "Está expuesta a altos flujos de calor durante largos períodos de tiempo, y casos repetidos de calentamiento y enfriamiento ".

En la actualidad, se han utilizado materiales como soldaduras y geles en tales uniones. Pero a medida que la electrónica sigue encogiéndose, más energía eléctrica pasa a través de circuitos más pequeños, someter los materiales a un estrés térmico cada vez mayor.

"La soldadura tiene una alta conductividad térmica, pero es rígido "Goodson dijo, explicando por qué su laboratorio continúa experimentando con nanotubos de carbono de pared simple. Justo antes de esto PNAS contribución, su equipo describió las propiedades térmicas favorables de los nanotubos en un artículo para Reseñas de Física moderna (Vol. 85, págs. 1296-1327).

Los nanotubos son hebras infinitesimalmente delgadas de átomos de carbono que tienen el potencial de ser eficientes en la conducción de calor. También son fuertes para su tamaño, y pueden ser flexibles dependiendo de cómo se fabriquen.

El Stanford PNAS El artículo se basó en experimentos y simulaciones diseñados para revelar cómo crear estructuras de nanotubos de carbono (CNT) con la combinación óptima de las tres características:resistencia, flexibilidad, y conductividad térmica, que se requieren en coyunturas críticas donde el estrés térmico es un hecho.

El artículo de Stanford representa aproximadamente cinco años de trabajo en equipo centrado en el Departamento de Ingeniería Mecánica de Stanford, incluidos experimentos dirigidos por el primer autor Yoonjin Won, quien entonces era estudiante de doctorado en ingeniería mecánica.

Usó una variedad de técnicas existentes para ensamblar CNT con diferentes características estructurales, y luego midió la flexibilidad (también llamada módulo) y la conductividad térmica de cada estructura para buscar la estructura óptima.

Dejado a la naturaleza los átomos de carbono que forman los NTC crearán estructuras que, si pudiéramos verlas, se parecerían a un cuenco de espaguetis.

Pero Won trabajó con colaboradores en la Universidad de Tokio para crear CNT que crecieron relativamente heterosexuales, como hierbas. Todavía se produjo cierto grado de enredo. El control preciso del crecimiento de CNT sigue estando fuera del alcance de la ciencia.

Sin embargo, Los experimentos de Won mostraron que los CNT más largos, crecido menos densamente juntos, parecía tener la mejor combinación de flexibilidad, conductividad térmica y resistencia, para uso en electrónica y otras aplicaciones industriales donde se espera estrés térmico.

Hasta cierto punto, sus hallazgos representan una compensación. Más denso, Las estructuras de CNT más cortas son más fuertes y más eficientes para disipar el calor. Pero también están más enredados y rígidos. Los resultados experimentales de Won mostraron que a medida que las hebras de CNT se alargaban, tendían a enderezarse y estaban menos enredados, que aumentó la flexibilidad de la estructura, aunque con algunas pérdidas aceptables en los otros dos parámetros.

Debido a que el objetivo final de este trabajo es revelar cómo optimizar las estructuras de CNT para su uso como materiales de transferencia térmica, El equipo de Stanford construyó una simulación por computadora del proceso de ensamblaje de CNT con miras a comprender cómo los CNT se doblaban y enredaban a pesar de los esfuerzos por hacerlos rectos.

El trabajo en la simulación fue dirigido por Wei Cai, profesor asociado de ingeniería mecánica en Stanford, quien tiene un nombramiento de cortesía en ciencia e ingeniería de materiales. Los científicos de Stanford querían comprender la forma en que las fuerzas de van der Waals influyen en el crecimiento de los NTC.

Estas fuerzas llevan el nombre del físico holandés que describió por primera vez las atracciones débiles que existen entre las moléculas, atracciones que no podrían explicarse por otras fuerzas conocidas, como los enlaces químicos que resultan cuando los átomos comparten electrones.

Cai dijo que, si bien las fuerzas de van der Waals pueden no ser críticas en otros tipos de estructuras, Los nanotubos de carbono son tan delgados, de un mero átomo o de un diámetro tan grueso, que estas diminutas fuerzas podrían afectarlos fundamentalmente.

Eso es, de hecho, lo que mostró la simulación. Imagínese un CNT intentando crecer recto, solo para ser inclinado hacia un lado por la atracción van der Waal de otro cruce de la CNT cerca de su parte superior, y quizás doblado hacia el otro lado por una CNT diferente que se acerca a su fondo.

Tomados en conjunto, Los resultados experimentales y la simulación por computadora refuerzan los hallazgos de que más tiempo, CNTs menos enredados ofrecerían la mejor combinación de las características deseadas de resistencia, flexibilidad y transferencia de calor. Pero debido a las fuerzas de van der Waals que operan en estos tubos de carbono de un átomo de espesor, Los ingenieros tendrán que aceptar algunas flexiones e irregularidades mientras se esfuerzan por crear aunque menos que ideal, estructuras para disipar el calor.

"Cuando escuchas sobre nanotecnología, generalmente se trata de superlativos, el mas fuerte este, el más delgado, ", Dijo Goodson." Pero creemos que las respuestas estarán en encontrar las combinaciones correctas de propiedades, algo que sea fuerte y conduzca el calor como un metal, pero puede flexionarse y doblarse también ".