p "Acalme-se!" Essa é uma diretiva principal para chips de microprocessador e uma solução nova e promissora para atender a esse imperativo está por vir. Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Laboratório de Berkeley) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) desenvolveram uma técnica de "processo amigável" que permitiria o resfriamento de chips de microprocessador por meio de nanotubos de carbono. p Frank Ogletree, um físico da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, liderou um estudo no qual moléculas orgânicas foram usadas para formar fortes ligações covalentes entre nanotubos de carbono e superfícies metálicas. Isso melhorou em seis vezes o fluxo de calor do metal para os nanotubos de carbono, pavimentando o caminho para mais rápido, resfriamento mais eficiente de chips de computador. A técnica é feita por meio de vapor de gás ou química líquida a baixas temperaturas, tornando-o adequado para a fabricação de chips de computador.

p "Desenvolvemos vias de ligação covalente que funcionam para metais formadores de óxido, como alumínio e silício, e para metais mais nobres, como ouro e cobre, "diz Ogletree, que atua como engenheiro de equipe para o Imaging Facility na Molecular Foundry, um centro de nanociências DOE hospedado pelo Berkeley Lab. "Em ambos os casos, a adesão mecânica melhorou para que as ligações superficiais fossem fortes o suficiente para puxar um arranjo de nanotubos de carbono para fora de seu substrato de crescimento e melhorar significativamente o transporte de calor através da interface."

p Ogletree é o autor correspondente de um artigo que descreve esta pesquisa em Nature Communications . O artigo é intitulado "Enhanced Thermal Transport at Covalently Functionalized Carbon Nanotube Array Interfaces." Os co-autores são Sumanjeet Kaur, Nachiket Raravikar, Brett Helms e Ravi Prasher.

p O superaquecimento é a ruína dos microprocessadores. Conforme os transistores aquecem, seu desempenho pode se deteriorar a ponto de não funcionar mais como transistores. Com os chips de microprocessador se tornando mais densamente compactados e as velocidades de processamento continuando a aumentar, o problema de superaquecimento é cada vez maior. O primeiro desafio é conduzir o calor para fora do chip e para a placa de circuito, onde ventiladores e outras técnicas podem ser usados ​​para resfriamento. Os nanotubos de carbono demonstraram uma condutividade térmica excepcionalmente alta, mas seu uso para resfriar chips de microprocessador e outros dispositivos foi prejudicado por altas resistências de interface térmica em sistemas nanoestruturados.

p "A condutividade térmica dos nanotubos de carbono excede a do diamante ou de qualquer outro material natural, mas porque os nanotubos de carbono são quimicamente estáveis, suas interações químicas com a maioria dos outros materiais são relativamente fracas, o que contribui para uma alta resistência da interface térmica, "Ogletree diz." A Intel veio para a Molecular Foundry querendo melhorar o desempenho dos nanotubos de carbono em dispositivos. Trabalhando com Nachiket Raravikar e Ravi Prasher, que eram engenheiros da Intel quando o projeto foi iniciado, fomos capazes de aumentar e fortalecer o contato entre os nanotubos de carbono e as superfícies de outros materiais. Isso reduz a resistência térmica e melhora substancialmente a eficiência do transporte de calor. "

p Sumanjeet Kaur, autor principal do Nature Communications papel e um especialista em nanotubos de carbono, com a ajuda do co-autor e químico da Molecular Foundry Brett Helms, usaram moléculas reativas para fazer a ponte entre a interface nanotubo de carbono / metal - aminopropil-trialcoxi-silano (APS) para metais formadores de óxido, e cisteamina para metais nobres. Primeiros arranjos de nanotubos de carbono alinhados verticalmente foram cultivados em bolachas de silício, e filmes finos de alumínio ou ouro foram evaporados em lamínulas de microscópio de vidro. Os filmes de metal foram então "funcionalizados" e ligados aos arranjos de nanotubos de carbono. O fluxo de calor aprimorado foi confirmado usando uma técnica de caracterização desenvolvida pela Ogletree que permite medições específicas da interface do transporte de calor.

p "Você pode pensar na resistência da interface no fluxo de calor em estado estacionário como uma quantidade extra de distância que o calor tem para fluir através do material, "Kaur diz." Com nanotubos de carbono, a resistência da interface térmica adiciona algo como 40 mícrons de distância em cada lado da camada real de nanotubos de carbono. Com nossa técnica, somos capazes de diminuir a resistência da interface para que a distância extra seja de cerca de sete mícrons em cada interface. "

p Embora a abordagem usada por Ogletree, Kaur e seus colegas fortaleceram substancialmente o contato entre um metal e nanotubos de carbono individuais dentro de uma matriz, a maioria dos nanotubos dentro da matriz ainda pode falhar ao se conectar com o metal. A equipe de Berkeley está agora desenvolvendo uma maneira de melhorar a densidade dos contatos nanotubo de carbono / metal. Sua técnica também deve ser aplicável a dispositivos de grafeno de camada única e multicamadas, que enfrentam os mesmos problemas de resfriamento.

p "Parte de nossa missão na Molecular Foundry é ajudar a desenvolver soluções para problemas de tecnologia colocados a nós por usuários industriais que também levantam questões científicas fundamentais, "Ogletree diz." Ao desenvolver esta técnica para resolver um problema de tecnologia do mundo real, também criamos ferramentas que geram novas informações sobre química fundamental. "