"¡Genial!" Esa es una directiva principal para chips de microprocesador y una nueva solución prometedora para cumplir con este imperativo está a la vista. Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han desarrollado una técnica "amigable con el proceso" que permitiría el enfriamiento de chips de microprocesadores a través de nanotubos de carbono.

Frank Ogletree, un físico de la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab, dirigió un estudio en el que se utilizaron moléculas orgánicas para formar fuertes enlaces covalentes entre nanotubos de carbono y superficies metálicas. Esto mejoró seis veces el flujo de calor del metal a los nanotubos de carbono, allanando el camino para más rápido, enfriamiento más eficiente de chips de computadora. La técnica se realiza mediante química de gas vapor o líquido a bajas temperaturas, haciéndolo adecuado para la fabricación de chips de computadora.

"Hemos desarrollado vías de enlace covalente que funcionan para metales formadores de óxidos, como el aluminio y el silicio, y para metales más nobles, como el oro y el cobre, "dice Ogletree, quien se desempeña como ingeniero de planta para la instalación de imágenes en Molecular Foundry, un centro de nanociencia del DOE organizado por Berkeley Lab. "En ambos casos, la adhesión mecánica mejoró de modo que las uniones superficiales fueron lo suficientemente fuertes como para extraer una matriz de nanotubos de carbono de su sustrato de crecimiento y mejorar significativamente el transporte de calor a través de la interfaz".

Ogletree es el autor correspondiente de un artículo que describe esta investigación en Comunicaciones de la naturaleza . El artículo se titula "Transporte térmico mejorado en interfaces de matriz de nanotubos de carbono funcionalizadas covalentemente". Los coautores son Sumanjeet Kaur, Nachiket Raravikar, Brett Helms y Ravi Prasher.

El sobrecalentamiento es la pesadilla de los microprocesadores. A medida que los transistores se calientan, su rendimiento puede deteriorarse hasta el punto en que ya no funcionan como transistores. Con chips de microprocesador cada vez más densamente empaquetados y las velocidades de procesamiento continúan aumentando, el problema del sobrecalentamiento es cada vez mayor. El primer desafío es conducir el calor del chip a la placa de circuito donde se pueden usar ventiladores y otras técnicas para enfriar. Los nanotubos de carbono han demostrado una conductividad térmica excepcionalmente alta, pero su uso para enfriar chips de microprocesadores y otros dispositivos se ha visto obstaculizado por las altas resistencias de interfaz térmica en los sistemas nanoestructurados.

"La conductividad térmica de los nanotubos de carbono supera a la del diamante o cualquier otro material natural, pero debido a que los nanotubos de carbono son químicamente estables, sus interacciones químicas con la mayoría de los otros materiales son relativamente débiles, lo que lo convierte en una alta resistencia de interfaz térmica, "Dice Ogletree." Intel llegó a Molecular Foundry con el deseo de mejorar el rendimiento de los nanotubos de carbono en los dispositivos. Trabajando con Nachiket Raravikar y Ravi Prasher, que eran ingenieros de Intel cuando se inició el proyecto, pudimos aumentar y fortalecer el contacto entre los nanotubos de carbono y las superficies de otros materiales. Esto reduce la resistencia térmica y mejora sustancialmente la eficiencia del transporte de calor ".

Sumanjeet Kaur, autor principal del Comunicaciones de la naturaleza papel y experto en nanotubos de carbono, con la ayuda del coautor y químico de Molecular Foundry Brett Helms, utilizaron moléculas reactivas para unir la interfaz nanotubo de carbono / metal - aminopropil-trialcoxisilano (APS) para metales formadores de óxidos, y cisteamina para metales nobles. Las primeras matrices de nanotubos de carbono alineadas verticalmente se cultivaron en obleas de silicio, y se evaporaron películas delgadas de aluminio u oro sobre cubreobjetos de vidrio para microscopio. A continuación, las películas metálicas se "funcionalizaron" y se dejaron unir con las matrices de nanotubos de carbono. El flujo de calor mejorado se confirmó utilizando una técnica de caracterización desarrollada por Ogletree que permite mediciones de transporte de calor específicas de la interfaz.

"Puede pensar en la resistencia de la interfaz en el flujo de calor de estado estable como una distancia adicional que el calor tiene para fluir a través del material, "Dice Kaur." Con nanotubos de carbono, La resistencia de la interfaz térmica agrega algo así como 40 micrones de distancia en cada lado de la capa de nanotubos de carbono real. Con nuestra técnica, podemos disminuir la resistencia de la interfaz para que la distancia adicional sea de alrededor de siete micrones en cada interfaz ".

Aunque el enfoque utilizado por Ogletree, Kaur y sus colegas reforzaron sustancialmente el contacto entre un metal y nanotubos de carbono individuales dentro de una matriz, Es posible que la mayoría de los nanotubos dentro de la matriz aún no se conecten con el metal. El equipo de Berkeley está desarrollando ahora una forma de mejorar la densidad de los contactos de metal / nanotubos de carbono. Su técnica también debería ser aplicable a dispositivos de grafeno de una o varias capas, que enfrentan los mismos problemas de enfriamiento.

"Parte de nuestra misión en Molecular Foundry es ayudar a desarrollar soluciones para los problemas tecnológicos que nos plantean los usuarios industriales que también plantean cuestiones científicas fundamentales, ", Dice Ogletree." Al desarrollar esta técnica para abordar un problema tecnológico del mundo real, también creamos herramientas que producen nueva información sobre química fundamental ".