A Baratunde Cola le gustaría poner arena en su computadora. No arena de playa pero nanopartículas de dióxido de silicio recubiertas con un polímero de alta constante dieléctrica para proporcionar de manera económica un enfriamiento mejorado para dispositivos electrónicos cada vez más hambrientos de energía.

El dióxido de silicio no hace el enfriamiento por sí mismo. En lugar de, las propiedades únicas de la superficie del material a nanoescala recubierto conducen el calor con una eficiencia potencialmente mayor que los materiales disipadores de calor existentes. La física teórica detrás del fenómeno es complicada, que implican efectos electromagnéticos a nanoescala creados en la superficie de las diminutas partículas de dióxido de silicio que actúan juntas.

El resultado final podría ser una clase potencialmente nueva de materiales de alta conductividad térmica útiles para la disipación de calor de la electrónica de potencia. LED y otras aplicaciones con altos flujos de calor.

"Hemos demostrado por primera vez que se puede tomar un lecho de nanopartículas empaquetadas que normalmente actuaría como aislante, y al hacer que la luz se acople fuertemente al material mediante la ingeniería de un medio de alta constante dieléctrica como agua o etilenglicol en las superficies, puedes convertir el lecho de nanopartículas en un conductor, "dijo Cola, profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Mecánica Woodruff en el Instituto de Tecnología de Georgia. "Utilizando el efecto electromagnético de superficie colectiva de las nanopartículas, la conductividad térmica puede aumentar 20 veces, lo que le permite disipar el calor ".

La investigación, que involucró tanto la teoría como el experimento, se informa en la edición de julio de la revista Materiales Horizontes , y fue destacado en la edición del 8 de julio de la revista Science. El trabajo fue apoyado por el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea y la Fuerza Aérea de los Estados Unidos. Los coautores incluyen al profesor James Hammonds de la Universidad de Howard, y los estudiantes graduados Eric Tervo de Georgia Tech y Olalekan Adewuyi de la Universidad de Howard.

En los últimos años, Los artículos teóricos han predicho la capacidad de los polaritones de fonones superficiales para aumentar la conducción térmica en nanomateriales hechos de materiales polares como el dióxido de silicio. Los polaritones son cuasipartículas cuánticas producidas por un fuerte acoplamiento de ondas electromagnéticas con una excitación portadora de dipolos eléctricos o magnéticos. En el caso específico de polaritones de fonones de superficie, las ondas electromagnéticas se acoplan a una cierta frecuencia y polarización de átomos vibrantes en el material conocido como fonones ópticos. Cuando los materiales se reducen a tamaños inferiores a 100 nanómetros, las propiedades superficiales del material dominan sobre las propiedades a granel, permitiendo que los fonones de calor fluyan de una partícula a otra en el lecho compacto con la ayuda de las ondas electromagnéticas acopladas.

Aunque los investigadores no pudieron medir previamente el flujo de calor de los polaritones de fonones superficiales debido a dificultades experimentales, han observado su propagación de ondas cuando la luz incide en la superficie de un material de nanoestructura, sugiriendo un papel potencial en la disipación de calor. Además de la primera medición del flujo de calor, Cola y sus colaboradores también encontraron que el efecto puede ocurrir cuando se agrega energía térmica a un lecho lleno de nanopartículas.

"Lo que también estamos mostrando por primera vez es que cuando tienes nanopartículas del tipo correcto en un lecho compacto, que no tienes que iluminarlos, ", explicó." Simplemente puede calentar las nanopartículas y la autoemisión térmica activa el efecto. Creas un campo eléctrico alrededor de las nanopartículas a partir de esta radiación térmica ".

Los investigadores decidieron experimentar con esas propiedades especiales, primero usando agua para recubrir las nanopartículas y convertir el lecho de nanopartículas de dióxido de silicio en un conductor. Pero la capa de agua no era robusta, por lo que los investigadores cambiaron a etilenglicol, un fluido comúnmente utilizado en anticongelante de vehículos. La nueva combinación aumentó la transferencia de calor en un factor de 20 a aproximadamente un vatio por metro-kelvin, que es más alto que el valor que las nanopartículas de etilenglicol o dióxido de silicio podrían producir solas, y competitivo con los costosos compuestos poliméricos utilizados para la disipación de calor.

"Básicamente, podrías llevar un dispositivo electrónico, empaque estas nanopartículas recubiertas de etilenglicol en el espacio aéreo, y sería útil como material de disipación de calor que, al mismo tiempo, no conducirá electricidad, ", dijo Cola." El material tiene el potencial de ser muy económico y fácil de trabajar ".

Se eligió el dióxido de silicio porque su red cristalina puede generar fonones ópticos resonantes, necesarios para el efecto, aproximadamente a temperatura ambiente. También se pueden utilizar otros materiales, pero las nanopartículas de dióxido de silicio proporcionan un buen compromiso de propiedades y costo.

"La frecuencia de resonancia, convertido en la temperatura de radiación térmica para el dióxido de silicio, es de alrededor de 50 grados Celsius, ", dijo Cola." Con este material, podemos activar este efecto en un rango de temperatura que es probable que vea un dispositivo microelectrónico ".

Aunque el etilenglicol funciona bien, eventualmente se evaporará. Por esta razón, Cola planea identificar materiales poliméricos que podrían adsorberse en las nanopartículas de dióxido de silicio para proporcionar un recubrimiento más estable con una vida útil razonable.

El efecto depende de la acción colectiva de las nanopartículas de dióxido de silicio.

"Básicamente, estamos mostrando una traducción macroscópica de un efecto a nanoescala, ", Dijo Cola." Aunque el lecho de nanopartículas es un conjunto a granel, es un conjunto a granel que tiene mucha superficie interna. El área de la superficie interna es la puerta de entrada por la cual interactúa con el campo electromagnético, la luz y el calor ".

Hasta aquí, el efecto se ha demostrado en pequeñas cantidades de nanopartículas de dióxido de silicio. Otro paso sería ampliar el estudio para demostrar que el calor se puede transferir a distancias más largas en volúmenes más grandes del material. Dijo Cola.

"La velocidad a la que la energía térmica va de un lado de la partícula al otro lado de la partícula es constante en todo el lecho de nanopartículas, por lo que no debería importar el grosor del lecho de nanopartículas, ", explicó." Cuando estas partículas están lo suficientemente cerca, sus modos están acoplados, lo que permite que la energía se transporte ".

Se necesitarían más pruebas para garantizar la eficiencia a largo plazo y para confirmar que no hay impactos en la confiabilidad de los dispositivos electrónicos enfriados con la técnica. Dijo Cola.