p Um novo estudo descobriu que a "ondulação" em florestas de nanotubos de carbono alinhados verticalmente reduz drasticamente sua rigidez, respondendo a uma pergunta de longa data em torno das estruturas minúsculas. p Em vez de ser um prejuízo, a ondulação pode tornar os arranjos de nanotubos mais compatíveis e, portanto, úteis como material de interface térmica para conduzir o calor para longe de futuros circuitos integrados de alta potência.

p Medições de rigidez de nanotubos, que é influenciado por uma propriedade conhecida como módulo, sugeriram que as florestas de nanotubos alinhados verticalmente deveriam ter uma rigidez muito maior do que a que os cientistas estavam medindo. O módulo efetivo reduzido foi atribuído à densidade de crescimento desigual, e na flambagem dos nanotubos sob compressão.

p Contudo, com base em experimentos, imagem de microscópio eletrônico de varredura (SEM) e modelagem matemática, o novo estudo descobriu que seções dobradas de nanotubos podem ser o principal mecanismo de redução do módulo.

p "Acreditamos que o mecanismo que torna esses nanotubos mais compatíveis é uma pequena torção em sua estrutura, "disse Suresh Sitaraman, professor da Woodruff School of Mechanical Engineering do Georgia Institute of Technology. "Embora pareçam perfeitamente retos, sob alta ampliação, encontramos ondulações nos nanotubos de carbono que acreditamos ser responsáveis ​​pela diferença entre o que é medido e o que seria esperado. "

p A pesquisa, que foi apoiado pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA), foi publicado online em 31 de agosto, 2013, no jornal Carbono . Ele aparecerá posteriormente na edição impressa da revista.

p Os nanotubos de carbono fornecem muitas propriedades atraentes, incluindo alta condutividade elétrica e térmica, e alta resistência. Os nanotubos de carbono individuais têm um módulo que varia de 100 gigapascais a 1,5 terapascais. Seria esperado que arranjos de nanotubos de carbono alinhados verticalmente com uma baixa densidade tivessem um módulo efetivo de pelo menos cinco a 150 gigapascais, Sitaraman disse, mas os cientistas normalmente medem valores que são quatro ordens ou magnitude menor - entre um e 10 megapascais.

p Para entender o que pode estar causando essa variação, Sitaraman e Ph.D. os alunos Nicholas Ginga e Wei Chen estudaram florestas de nanotubos de carbono cultivadas sobre um substrato de silício, em seguida, cobriu as pontas das estruturas com outra camada de silício. Eles então usaram um aparelho de teste sensível - um nanoindentro - para comprimir amostras dos nanotubos e medir sua rigidez. Alternativamente, eles também colocaram amostras dos sanduíches de nanotubos de silício sob tensão de tração - separando-os em vez de comprimi-los.

p O que eles descobriram foi que o módulo efetivo permaneceu baixo - tanto quanto 10, 000 vezes menos do que o esperado - independentemente de os sanduíches de nanotubos terem sido comprimidos ou separados. Isso sugere problemas de crescimento, ou flambagem, não conseguiu explicar totalmente as diferenças observadas.

p Para procurar explicações potenciais, os pesquisadores examinaram os nanotubos de carbono usando microscópios eletrônicos de varredura localizados nas instalações do Instituto de Eletrônica e Nanotecnologia da Georgia Tech. Com ampliação de 10, 000 vezes, eles viram a ondulação em seções dos nanotubos.

p "Encontramos pequenas dobras nos nanotubos de carbono, "disse Sitaraman." Embora parecessem perfeitamente retos, havia ondulação neles. Quanto mais ondulações vimos, quanto menor era sua rigidez. "

p Eles também observaram que sob compressão, os nanotubos entram em contato uns com os outros, influenciando o comportamento dos nanotubos. Essas observações foram modeladas matematicamente para ajudar a explicar o que estava sendo visto nas diferentes condições estudadas.

p “Levamos em consideração o contato entre os nanotubos de carbono, "disse Chen." Isso nos permitiu investigar as condições extremas sob as quais a deformação dos nanotubos é restringida pela presença de nanotubos vizinhos na floresta. "

p Embora a perda de módulo possa parecer um problema, na verdade, pode ser útil em aplicações de gerenciamento térmico, Sitaraman disse. A conformidade dos nanotubos permite que eles se conectem a um circuito integrado de silício de um lado, e ser ligado a um difusor de calor de cobre no outro lado. A flexibilidade dos nanotubos permite que eles se movam conforme as estruturas superior e inferior se expandem e se contraem em taxas diferentes devido às mudanças de temperatura.

p "A beleza dos nanotubos de carbono é que eles agem como molas entre o chip de silício e o dissipador de calor de cobre, "disse Sitaraman." Eles podem conduzir muito calor devido às boas propriedades térmicas, e ao mesmo tempo, eles são flexíveis e complacentes. "

p Os nanotubos de carbono têm uma condutividade térmica extraordinariamente alta, até dez vezes mais do que o cobre, tornando-os ideais para retirar o calor dos chips.

p "A demanda por remoção de calor dos cavacos continua aumentando, "disse Ginga." A indústria tem procurado novos materiais e novas técnicas para adicionar à sua caixa de ferramentas para transferência de calor. Diferentes abordagens serão necessárias para diferentes dispositivos, e isso fornece ao setor uma nova maneira de enfrentar o desafio. "