p Quando os engenheiros projetam dispositivos, eles frequentemente devem juntar dois materiais que se expandem e se contraem em taxas diferentes conforme a temperatura muda. Essas diferenças térmicas podem causar problemas se, por exemplo, um chip semicondutor é conectado a um soquete que não pode se expandir e contrair rápido o suficiente para manter um contato ininterrupto ao longo do tempo. p O potencial de falha em tais junções críticas se intensificou à medida que os dispositivos encolheram para a escala nano, trazendo forças sutis em jogo que puxam átomos e moléculas, causando cepas que são difíceis de observar, muito menos evitar.

p Escrevendo no Anais da Academia Nacional ( PNAS ), Os engenheiros de Stanford relatam como criar estruturas de nanotubos de carbono que permanecem fortes e flexíveis nessas interfaces críticas onde o estresse térmico é intrínseco ao projeto.

p "Pense no dissipador de calor de um microprocessador, "disse sênior PNAS autor Kenneth Goodson, Professor e Catedrático de Engenharia Mecânica da Bosch em Stanford. "Ele é exposto a altos fluxos de calor por longos períodos de tempo, e instâncias repetidas de aquecimento e resfriamento. "

p Atualmente, materiais como solda e géis têm sido usados ​​nessas junções. Mas, à medida que os eletrônicos continuam encolhendo, mais energia elétrica é empurrada por circuitos menores, colocar materiais sob estresse térmico cada vez maior.

p "A solda tem alta condutividade térmica, mas é duro, "Goodson disse, explicando por que seu laboratório continua a fazer experiências com nanotubos de carbono de parede única. Um pouco antes disso PNAS contribuição, sua equipe descreveu as propriedades térmicas favoráveis ​​dos nanotubos em um artigo para Resenhas de Física Moderna (Vol. 85, pp. 1296-1327).

p Os nanotubos são filamentos infinitesimalmente finos de átomos de carbono que têm o potencial de serem eficientes na condução de calor. Eles também são fortes para seu tamanho, e podem ser flexíveis dependendo de como são fabricados.

p The Stanford PNAS papel foi baseado em experimentos e simulações projetados para revelar como criar estruturas de nanotubos de carbono (CNTs) com a combinação ideal de todas as três características - força, flexibilidade, e condutividade de calor - que são necessárias em junções críticas onde o estresse térmico é um fato da vida.

p O artigo de Stanford representa cerca de cinco anos de trabalho em equipe centrado no Departamento de Engenharia Mecânica de Stanford, incluindo experimentos conduzidos pelo primeiro autor Yoonjin Won, que era então aluno de doutorado em engenharia mecânica.

p Ela usou uma variedade de técnicas existentes para montar CNTs com diferentes características estruturais, e então mediu a flexibilidade (também chamada de módulo) e a condutividade térmica de cada estrutura para procurar a estrutura ideal.

p Deixado para a natureza, os átomos de carbono que formam os CNTs criarão estruturas que - se pudéssemos vê-los - se assemelham a uma tigela de espaguete.

p Mas Won trabalhou com colaboradores da Universidade de Tóquio para criar CNTs que cresceram relativamente heterossexuais, como gramíneas. Algum grau de emaranhamento ainda ocorria. O controle preciso do crescimento do CNT permanece fora do alcance da ciência.

p No entanto, Os experimentos de Won mostraram que CNTs mais longos, cresceram menos densamente juntos, parecia ter a melhor combinação de flexibilidade, condutividade e força de calor, para uso em eletrônica e outras aplicações industriais onde o estresse térmico é esperado.

p Até certo ponto, suas descobertas representam uma compensação. Denser, estruturas de CNT mais curtas são mais fortes e mais eficientes na dissipação de calor. Mas eles também são mais emaranhados e rígidos. Os resultados experimentais de Won mostraram que, à medida que os fios de CNT ficavam mais longos, eles tendiam a crescer mais retos e eram menos emaranhados, o que aumentou a flexibilidade da estrutura, embora com algumas perdas aceitáveis ​​nos outros dois parâmetros.

p Porque o objetivo final deste trabalho é revelar como otimizar as estruturas de CNT para uso como materiais de transferência térmica, a equipe de Stanford construiu uma simulação de computador do processo de montagem do CNT com o objetivo de entender como os CNTs se dobraram e emaranhados, apesar dos esforços para deixá-los retos.

p O trabalho na simulação foi liderado por Wei Cai, um professor associado de engenharia mecânica em Stanford, que tem um cargo de cortesia em ciência e engenharia de materiais. Os cientistas de Stanford queriam entender a maneira pela qual as forças de van der Waals influenciam o crescimento dos CNTs.

p Essas forças foram nomeadas em homenagem ao físico holandês que primeiro descreveu as atrações fracas que existem entre as moléculas - atrações que não poderiam ser explicadas por outras forças conhecidas, como as ligações químicas que resultam quando os átomos compartilham elétrons.

p Cai disse que embora as forças de van der Waals possam não ser críticas em outros tipos de estruturas, os nanotubos de carbono são tão finos - um mero átomo ou mais espesso em diâmetro - que essas forças diminutas podem afetá-los fundamentalmente.

p Isso é de fato o que a simulação mostrou. Imagine um CNT tentando crescer reto, apenas para ser inclinado para um lado pela atração van der Waal de outro cruzamento CNT próximo ao seu topo, e talvez dobrado para o outro lado por um CNT diferente que está próximo ao fundo.

p Tomados em conjunto, os resultados experimentais e a simulação de computador reforçam as descobertas de que, por mais tempo, CNTs menos emaranhados ofereceriam a melhor mistura da força de características desejada, flexibilidade e transferência de calor. Mas, devido às forças de van der Waals que operam nesses tubos de carbono com a espessura de um átomo, os engenheiros terão que aceitar algumas dobras e irregularidades enquanto se esforçam para criar viável, embora menos do que ideal, estruturas para dissipação de calor.

p "Quando você ouve sobre nanotecnologia, geralmente é sobre os superlativos, o mais forte isso, o mais fino, "Goodson disse." Mas achamos que as respostas residirão em encontrar as combinações certas de propriedades, algo que é forte e conduz calor como um metal, mas também pode flexionar e dobrar. "