p Os sistemas de resfriamento que usam um líquido que muda de fase - como água fervendo em uma superfície - podem desempenhar um papel importante em muitas tecnologias em desenvolvimento, incluindo microchips avançados e sistemas de energia solar concentrada. Mas entender exatamente como esses sistemas funcionam, e quais tipos de superfícies maximizam a transferência de calor, continua sendo um problema desafiador. p Agora, pesquisadores do MIT descobriram que é relativamente simples, a rugosidade em microescala de uma superfície pode aumentar dramaticamente sua transferência de calor. Tal abordagem poderia ser muito menos complexa e mais durável do que as abordagens que aumentam a transferência de calor por meio de padrões menores na faixa do nanômetro (bilionésimos de um metro). A nova pesquisa também fornece um quadro teórico para analisar o comportamento de tais sistemas, apontando o caminho para melhorias ainda maiores.

p O trabalho foi publicado este mês na revista. Cartas de Física Aplicada , em um artigo de coautoria do estudante graduado Kuang-Han Chu, pós-doutorado Ryan Enright e Evelyn Wang, professor associado de engenharia mecânica.

p “A dissipação de calor é um grande problema” em muitos campos, especialmente eletrônicos, Wang diz; o uso de líquidos de mudança de fase, como água fervente para transferir calor para longe de uma superfície "tem sido uma área de interesse significativo por muitas décadas". Mas, até agora, não houve um bom entendimento dos parâmetros que determinam como diferentes materiais - e especialmente a texturização da superfície - podem afetar o desempenho de transferência de calor. “Por causa das complexidades do processo de mudança de fase, só recentemente temos a capacidade de manipular "superfícies para otimizar o processo, Wang diz, graças aos avanços em micro e nanotecnologia.

p Chu diz que um grande aplicativo potencial está em farms de servidores, onde a necessidade de manter muitos processadores resfriados contribui significativamente para os custos de energia. Enquanto esta pesquisa analisou o uso de água para resfriamento, ele acrescenta que a equipe “acredita que esta pesquisa é generalizável, não importa qual seja o fluido. ”

p A equipe concluiu que a razão pela qual a rugosidade da superfície aumenta muito a transferência de calor - mais do que dobrando a dissipação máxima de calor - é que ela aumenta a ação capilar na superfície, ajudando a manter uma linha de bolhas de vapor "fixadas" na superfície de transferência de calor, retardando a formação de uma camada de vapor que reduz muito o resfriamento.

p Para testar o processo, os pesquisadores fizeram uma série de bolachas de silício do tamanho de um selo postal com vários graus de aspereza da superfície, incluindo algumas amostras perfeitamente suaves para comparação. O grau de rugosidade é medido como a porção da área de superfície que pode entrar em contato com um líquido, em comparação com uma superfície completamente lisa. (Por exemplo, se você amassou um pedaço de papel e, em seguida, alisou-o de modo que cobrisse uma área com a metade do tamanho da folha original, isso representaria uma rugosidade de 2.)

p Os pesquisadores descobriram que o aumento sistemático da rugosidade levou a um aumento proporcional na capacidade de dissipação de calor, independentemente das dimensões dos recursos de rugosidade da superfície. Os resultados mostraram que um simples rugosidade da superfície melhorou a transferência de calor tanto quanto as melhores técnicas anteriores estudadas, que usava um processo muito mais complexo para produzir padrões em nanoescala na superfície.

p Além do trabalho experimental, a equipe desenvolveu um modelo analítico que corresponde com muita precisão aos resultados observados. Os pesquisadores agora podem usar esse modelo para otimizar superfícies para aplicações específicas.

p “Tem havido um entendimento limitado de que tipo de estruturas você precisa” para uma transferência de calor eficaz, Wang diz. Esta nova pesquisa “serve como um primeiro passo importante” para tal análise.

p Acontece que a transferência de calor é quase inteiramente uma função da rugosidade geral de uma superfície, Wang diz, e baseia-se no equilíbrio entre as várias forças que atuam nas bolhas de vapor que servem para dissipar o calor:tensão superficial, impulso e flutuabilidade.

p Embora as aplicações mais imediatas provavelmente sejam em dispositivos eletrônicos de alto desempenho, e talvez em sistemas de energia solar concentrada, os mesmos princípios podem ser aplicados a sistemas maiores, como caldeiras de centrais elétricas, usinas de dessalinização ou reatores nucleares, dizem os pesquisadores.

p Satish Kandlikar, um professor de engenharia mecânica do Rochester Institute of Technology que não estava envolvido neste trabalho, afirma que é “bastante notável conseguir fluxos de calor” tão grandes quanto esses “em superfícies de silício sem etapas complexas do processo de micro ou nanofabricação. Este desenvolvimento abre as portas para uma nova classe de estruturas de superfície combinando recursos de micro e nanoescala. ”Ele acrescenta que a equipe do MIT“ deve ser elogiada por esta importante descoberta de pesquisa. Ele fornecerá novas direções, especialmente em aplicações de resfriamento de chips. ” p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.