As vezes, uma simples decisão de tentar algo não convencional pode levar a uma descoberta significativa.

Um método bem conhecido de fabricação de dissipadores de calor para dispositivos eletrônicos é um processo denominado sinterização, em que o metal em pó é formado em uma forma desejada e, em seguida, aquecido no vácuo para ligar as partículas. Mas em um experimento recente, alguns alunos tentaram sinterizar partículas de cobre no ar e tiveram uma grande surpresa.

Em vez da forma de metal sólida esperada, o que eles encontraram foi uma massa de partículas que tinha crescido longos bigodes de cobre oxidado. “Foi meio acidental, ”Diz Kripa Varanasi, d’Arbeloff Professor assistente de Engenharia Mecânica no MIT. “Nós temos essa coisa maluca, partículas cobertas por nanofios, ”Diz ele.

O processo resultante pode vir a ser um novo método importante para a fabricação de estruturas que abrangem uma gama de tamanhos de até alguns nanômetros (bilionésimos de um metro). “Você vai em uma única etapa do pó esférico sólido para estruturas muito complexas, ”Diz Christopher Love, um estudante de graduação em engenharia mecânica que é o autor principal do artigo. “O processo é muito simples, e as estruturas são duráveis, ”Diz ele. Essas novas estruturas podem ser usadas para gerenciar o fluxo de calor em várias aplicações, desde centrais de energia até o resfriamento de eletrônicos.

Não apenas as partículas estavam cobertas por fios finos, mas a abundância dos fios acabou dependendo do tamanho das partículas de cobre originais. “Somos os primeiros a observar uma oxidação dependente do tamanho no cobre, ”Diz Varanasi. Isso significa que os pesquisadores podem facilmente sintetizar estruturas porosas em várias escalas, a granel, selecionando as partículas com as quais começam:Partículas menores do que um determinado tamanho de sinter, enquanto partículas maiores geram nanofios.

A descoberta é relatada em um artigo publicado na revista RSC Nanoscale. Além de Varanasi e Love, os autores do artigo são o estudante de graduação em engenharia mecânica J. David Smith e o pós-doutorando Yuehua Cui do Laboratório de Fabricação e Produtividade.

Essas estruturas hierárquicas podem ser muito eficazes para o gerenciamento térmico, resfriando tudo, desde microprocessadores até as caldeiras de grandes usinas de energia. Eles podem até ser úteis em energia geotérmica projetada, que é uma grande promessa como um sistema para fornecer limpeza, energia renovável. Como as estruturas resultantes são facilmente controladas, “Você pode otimizá-los para controlar fenômenos que ocorrem em diferentes escalas de tempo e duração, ”Diz Varanasi.

Embora o crescimento de nanofios em folhas de cobre a granel tenha sido observado antes, Varanasi diz, esta é a primeira vez que foi observada em uma variedade de escalas de tamanho ao mesmo tempo, e a primeira vez que o processo foi analisado e explicado. “Existem várias teorias diferentes sobre como esses nanofios crescem, ”Diz ele. Mas agora, “Este artigo estabeleceu completamente” qual é o mecanismo para as partículas de cobre:​​as cerdas crescem para fora através da difusão, deixando as partículas ocas no meio enquanto o metal migra para fora.

A equipe agora está testando o mesmo processo com outros materiais. Por exemplo, se funcionar com zircônio - o metal agora usado como revestimento para barras de combustível em reatores nucleares - pode ajudar a melhorar a transferência de calor. Em um reator nuclear, onde este processo aciona turbinas e produz energia, tal avanço poderia aumentar a eficiência geral dos reatores.

Além do gerenciamento térmico, esses resultados podem ajudar a otimizar certos processos catalíticos, Varanasi diz.

Suresh Garimella, um professor de engenharia mecânica da Purdue University que não estava envolvido nesta pesquisa, diz que a "natureza simples e potencialmente econômica do método" para o cultivo de nanofios de cobre "torna as descobertas significativas, ”Com aplicações potenciais, incluindo catálise e gerenciamento térmico.

Brent Segal, tecnólogo-chefe da Lockheed Martin Nanosystems em Billerica, Massa., diz que este é um "trabalho significativo no controle das propriedades elétricas e propriedades térmicas" dos materiais, e possivelmente suas propriedades ópticas também. Tal controle, da escala microscópica à nanoscópica - uma diferença de mil vezes no tamanho - "nunca foi vista antes" em um único processo, ele diz.

Ao ver a descrição da equipe desta nova técnica, Segal diz, “Você imediatamente pensa, ‘Quero experimentar 75 outros materiais’ ”para ver se funcionam de forma semelhante. “Acho que 100 laboratórios diferentes em todo o país vão tentar tudo o que têm na prateleira” usando esta técnica, ele adiciona.

O trabalho foi apoiado pelo MIT Deshpande Centre, um prêmio DARPA Young Faculty, a Iniciativa de Energia do MIT, e uma bolsa de pesquisa de pós-graduação da National Science Foundation.