Los materiales poliméricos suelen ser aislantes térmicos. Pero al aprovechar un proceso de electropolimerización para producir matrices alineadas de nanofibras poliméricas, Los investigadores han desarrollado un material de interfaz térmica capaz de conducir el calor 20 veces mejor que el polímero original. El material modificado puede operar de manera confiable a temperaturas de hasta 200 grados Celsius.

El nuevo material de interfaz térmica podría usarse para alejar el calor de los dispositivos electrónicos en los servidores, automóviles, LED de alto brillo y determinados dispositivos móviles. El material se fabrica en disipadores de calor y difusores de calor y se adhiere bien a los dispositivos, potencialmente evitando los desafíos de confiabilidad causados ​​por la expansión diferencial en otros materiales conductores térmicos.

"Los esquemas de gestión térmica pueden volverse más complicados a medida que los dispositivos se hacen más pequeños, "dijo Baratunde Cola, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff en el Instituto de Tecnología de Georgia. "Un material como este, que también podría ofrecer una mayor confiabilidad, podría ser atractivo para abordar problemas de gestión térmica. Este material podría permitirnos, en última instancia, diseñar sistemas electrónicos de diferentes formas ".

La investigación, que fue apoyado por la National Science Foundation, Se informó el 30 de marzo en la publicación anticipada en línea de la revista. Nanotecnología de la naturaleza . El proyecto involucró a investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia, Universidad de Texas en Austin, y la Compañía Raytheon. Virendra Singh, un científico investigador en la Escuela Woodruff, y Thomas Bougher, un doctorado estudiante en la escuela Woodruff, son los co-primeros autores del artículo.

Los materiales poliméricos amorfos son malos conductores térmicos porque su estado desordenado limita la transferencia de fonones conductores de calor. Esa transferencia se puede mejorar creando estructuras cristalinas alineadas en los polímeros, pero esas estructuras, formadas a través de un proceso de estirado de fibras, pueden dejar el material frágil y fácilmente fracturado a medida que los dispositivos se expanden y contraen durante los ciclos de calentamiento y enfriamiento.

El nuevo material de interfaz se produce a partir de un polímero conjugado, politiofeno, en el que las cadenas poliméricas alineadas en las nanofibras facilitan la transferencia de fonones, pero sin la fragilidad asociada con las estructuras cristalinas, Cola explicó. La formación de las nanofibras produce un material amorfo con una conductividad térmica de hasta 4,4 vatios por metro Kelvin a temperatura ambiente.

El material ha sido probado hasta 200 grados Celsius, una temperatura que podría hacerlo útil para aplicaciones en vehículos. Se han utilizado materiales de soldadura para interfaces térmicas entre chips y disipadores de calor, pero pueden no ser confiables cuando se operan cerca de sus temperaturas de reflujo.

"Los polímeros no se suelen considerar para estas aplicaciones porque normalmente se degradan a una temperatura tan baja, "Cola explicó." Pero estos polímeros conjugados ya se utilizan en células solares y dispositivos electrónicos, y también pueden funcionar como materiales térmicos. Aprovechamos el hecho de que tienen una mayor estabilidad térmica porque la unión es más fuerte que en los polímeros típicos ".

Las estructuras se cultivan en un proceso de varios pasos que comienza con una plantilla de alúmina que contiene poros diminutos cubiertos por un electrolito que contiene precursores de monómeros. Cuando se aplica un potencial eléctrico a la plantilla, los electrodos en la base de cada poro atraen los monómeros y comienzan a formar nanofibras huecas. La cantidad de corriente aplicada y el tiempo de crecimiento controlan la longitud de las fibras y el grosor de sus paredes. mientras que el tamaño de los poros controla el diámetro. Los diámetros de las fibras oscilan entre 18 y 300 nanómetros, dependiendo de la plantilla de los poros.

Después de la formación de las cadenas de monómeros, las nanofibras están reticuladas con un proceso de electropolimerización, y la plantilla eliminada. La estructura resultante se puede unir a dispositivos electrónicos mediante la aplicación de un líquido como agua o un disolvente, que extiende las fibras y crea adherencia a través de la acción capilar y las fuerzas de van der Waals.

"Con el enfoque de procesamiento de polimerización electroquímica que adoptamos, pudimos alinear las cadenas del polímero, y la plantilla parece evitar que las cadenas se doblen en cristales, por lo que el material permanece amorfo, "Cola explicó." Aunque nuestro material es amorfo desde un punto de vista cristalino, las cadenas de polímeros están altamente alineadas, alrededor del 40 por ciento en algunas de nuestras muestras ".

Aunque la técnica aún requiere un mayor desarrollo y no se comprende completamente teóricamente, Cola cree que podría ampliarse para la fabricación y comercialización. El nuevo material podría permitir interfaces térmicas confiables de hasta tres micrones, en comparación con 50 a 75 micrones con materiales convencionales.

"Hay algunos desafíos con nuestra solución, pero el proceso es inherentemente escalable de una manera similar a la galvanoplastia, ", dijo." Este material es bien conocido por sus otras aplicaciones, pero el nuestro es un uso diferente ".

Los ingenieros han estado buscando un material de interfaz térmica mejorado que pudiera ayudar a eliminar el calor de los dispositivos electrónicos. El problema de eliminar el calor ha empeorado a medida que los dispositivos se han vuelto más pequeños y más potentes.

En lugar de buscar materiales debido a su alta conductividad térmica, Cola y sus colaboradores investigaron materiales que podrían proporcionar niveles más altos de contacto en la interfaz. Eso es porque en algunos de los mejores materiales de interfaz térmica, menos del uno por ciento del material estaba realmente haciendo contacto.

"Dejé de pensar tanto en la conductividad térmica de los materiales y comencé a pensar en qué tipo de materiales hacen un contacto realmente bueno en una interfaz, "Dijo Cola. Decidió buscar materiales de politiofeno después de leer un artículo que describía una aplicación de" pie de gecko "en la que el material proporcionaba un contacto estimado del 80 por ciento.

Las muestras del material se han probado a 200 grados Celsius a través de 80 ciclos térmicos sin ninguna diferencia detectable en el rendimiento. Si bien será necesario seguir trabajando para comprender el mecanismo, Cola cree que la robustez resulta de la adhesión del polímero en lugar de una unión.

"Podemos tener contacto sin que se forme un vínculo permanente, ", dijo." No es permanente, por lo que tiene un alojamiento de estrés incorporado. Se desliza y deja que el estrés del ciclo térmico se relaje ".

Además de los ya mencionados, los coautores del artículo incluyeron al profesor Kenneth Sandhage, Investigador científico Ye Cai, El profesor asistente Asegun Henry y el asistente graduado Wei Lv de Georgia Tech; Prof. Li Shi, Annie Weathers, Kedong Bi, Micheal T. Pettes and Sally McMenamin in the Department of Mechanical Engineering at the University of Texas at Austin; and Daniel P. Resler, Todd Gattuso and David Altman of the Raytheon Company.

A patent application has been filed on the material. Cola has formed a startup company, Carbice Nanotechnologies, to commercialize thermal interface technologies. It is a member of Georgia Tech's VentureLab program.