p (Phys.org) —Uma equipe de pesquisadores interdisciplinares do Rensselaer Polytechnic Institute desenvolveu um novo método para aumentar significativamente a taxa de transferência de calor em dois materiais diferentes. Resultados do estudo da equipe, publicado no jornal Materiais da Natureza , poderia permitir novos avanços no resfriamento de chips de computador e dispositivos de diodo emissor de luz (LED), coletando energia solar, coleta de calor residual, e outros aplicativos. p Imprensando uma camada de "nanocola" ultrafina entre o cobre e a sílica, a equipe de pesquisa demonstrou um aumento de quatro vezes na condutância térmica na interface entre os dois materiais. Com menos de um nanômetro - ou um bilionésimo de metro - de espessura, a nanocola é uma camada de moléculas que formam ligações fortes com o cobre (um metal) e a sílica (uma cerâmica), que de outra forma não ficariam bem juntos. Este tipo de bloqueio nanomolecular melhora a adesão, e também ajuda a sincronizar as vibrações dos átomos que compõem os dois materiais que, por sua vez, facilita o transporte mais eficiente de partículas de calor chamadas fônons. Além do cobre e da sílica, a equipe de pesquisa demonstrou que sua abordagem funciona com outras interfaces de metal-cerâmica.

p A transferência de calor é um aspecto crítico de muitas tecnologias diferentes. À medida que os chips de computador ficam menores e mais complexos, os fabricantes estão constantemente em busca de novos e melhores meios para remover o excesso de calor dos dispositivos semicondutores para aumentar a confiabilidade e o desempenho. Com dispositivos fotovoltaicos, por exemplo, uma melhor transferência de calor leva a uma conversão mais eficiente da luz solar em energia elétrica. Os fabricantes de LED também estão procurando maneiras de aumentar a eficiência reduzindo a porcentagem de energia perdida na forma de calor. Ganapati Ramanath, professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais em Rensselaer, quem liderou o novo estudo, disse que a capacidade de melhorar e otimizar a condutância térmica interfacial deve levar a novas inovações nessas e em outras aplicações.

p "As interfaces entre diferentes materiais são frequentemente gargalos de fluxo de calor devido ao transporte de fônons sufocado. A inserção de um terceiro material geralmente só piora as coisas por causa de uma interface adicional criada, "Ramanath disse." No entanto, nosso método de introdução de uma nanocamada ultrafina de moléculas orgânicas que se ligam fortemente a ambos os materiais na interface dá origem a aumentos múltiplos na condutância térmica interfacial, ao contrário da má condução de calor observada em interfaces inorgânico-orgânicas. Este método para ajustar a condutância térmica controlando a adesão usando uma nanocamada orgânica funciona para sistemas de materiais múltiplos, e oferece um novo meio para manipulação em nível atômico e molecular de propriedades múltiplas em diferentes tipos de interfaces de materiais. Também, é legal ser capaz de fazer isso de forma bastante discreta, pelo método simples de automontagem de uma única camada de moléculas. "

p Resultados do novo estudo, intitulado "Aumento da condutância térmica induzida por ligação em heterointerfaces inorgânicas usando monocamadas nanomoleculares, "foram publicados online recentemente por Materiais da Natureza , e aparecerá na próxima edição impressa da revista.

p A equipe de pesquisa usou uma combinação de experimentos e teoria para validar suas descobertas.

p "Nosso estudo estabelece a correlação entre a resistência de ligação interfacial e a condutância térmica, que serve para sustentar novas descrições teóricas e abrir novas maneiras de controlar a transferência de calor interfacial, "disse o co-autor Pawel Keblinski, professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Rensselaer.

p "É realmente notável que uma única camada molecular pode trazer uma melhoria tão grande nas propriedades térmicas das interfaces, formando fortes ligações interfaciais. Isso seria útil para controlar o transporte de calor para muitas aplicações em eletrônica, iluminação, e geração de energia, "disse o co-autor Masashi Yamaguchi, professor associado do Departamento de Física, Física aplicada, e Astronomia em Rensselaer.

p "The overarching goal of Professor Ramanath's NSF-sponsored research is to elucidate, using first-principles-based models, the effects of molecular chemistry, chemical environment, interface topography, and thermo-mechanical cycling on the thermal conductance of metal-ceramic interfaces modified with molecular nanolayers, " said Clark V. Cooper, senior advisor for science at the NSF Directorate for Mathematical and Physical Sciences, who formerly held the post of program director for Materials and Surface Engineering. "Consistent with NSF's mission, the focus of his research is to advance fundamental science, but the potential societal benefits of the research are enormous."

p "This is a fascinating example of the interplay between the physical, químico, and mechanical properties working in unison at the nanoscale to determine the heat transport characteristics at dissimilar metal-ceramic interfaces, " said Anupama B. Kaul, a program director for the Division of Electrical, Comunicações, and Cyber Systems at the NSF Directorate for Engineering. "The fact that the organic nanomolecular layer is just a monolayer in thickness and yet has such an important influence on the thermal characteristics is truly remarkable. Dr. Ramanath's results should be particularly valuable in nanoelectronics where heat management due to shrinking device dimensions continues to be an area of active research."