Os materiais poliméricos são geralmente isolantes térmicos. Mas, aproveitando um processo de eletropolimerização para produzir matrizes alinhadas de nanofibras de polímero, pesquisadores desenvolveram um material de interface térmica capaz de conduzir o calor 20 vezes melhor do que o polímero original. O material modificado pode operar com segurança em temperaturas de até 200 graus Celsius.

O novo material de interface térmica pode ser usado para tirar o calor de dispositivos eletrônicos em servidores, automóveis, LEDs de alto brilho e alguns dispositivos móveis. O material é fabricado em dissipadores de calor e dissipadores de calor e adere bem aos dispositivos, potencialmente evitando os desafios de confiabilidade causados ​​pela expansão diferencial em outros materiais termicamente condutores.

"Os esquemas de gerenciamento térmico podem ficar mais complicados à medida que os dispositivos ficam menores, "disse Baratunde Cola, professor assistente na Escola de Engenharia Mecânica George W. Woodruff do Instituto de Tecnologia da Geórgia. "Um material como este, que também pode oferecer maior confiabilidade, pode ser atraente para tratar de questões de gerenciamento térmico. Este material poderia nos permitir projetar sistemas eletrônicos de maneiras diferentes. "

A pesquisa, que foi apoiado pela National Science Foundation, foi relatado em 30 de março na publicação online antecipada da revista Nature Nanotechnology . O projeto envolveu pesquisadores do Georgia Institute of Technology, Universidade do Texas em Austin, e a Raytheon Company. Virendra Singh, um cientista pesquisador da Woodruff School, e Thomas Bougher, um Ph.D. estudante na Woodruff School, são os co-primeiros autores do artigo.

Materiais poliméricos amorfos são maus condutores térmicos porque seu estado desordenado limita a transferência de fônons condutores de calor. Essa transferência pode ser melhorada criando estruturas cristalinas alinhadas nos polímeros, mas essas estruturas - formadas por meio de processos de trefilação de fibra - podem deixar o material quebradiço e facilmente fraturado à medida que os dispositivos se expandem e contraem durante os ciclos de aquecimento e resfriamento.

O novo material de interface é produzido a partir de um polímero conjugado, politiofeno, em que cadeias poliméricas alinhadas em nanofibras facilitam a transferência de fônons - mas sem a fragilidade associada às estruturas cristalinas, Cola explicou. A formação das nanofibras produz um material amorfo com condutividade térmica de até 4,4 watts por metro Kelvin em temperatura ambiente.

O material foi testado até 200 graus Celsius, uma temperatura que pode torná-lo útil para aplicações em veículos. Materiais de solda têm sido usados ​​para interfaces térmicas entre chips e dissipadores de calor, mas pode não ser confiável quando operado perto de suas temperaturas de refluxo.

"Os polímeros normalmente não são concebidos para essas aplicações porque normalmente se degradam em temperaturas muito baixas, "Explicou Cola." Mas esses polímeros conjugados já são usados ​​em células solares e dispositivos eletrônicos, e também podem funcionar como materiais térmicos. Estamos aproveitando o fato de que eles têm uma estabilidade térmica superior porque a ligação é mais forte do que em polímeros típicos. "

As estruturas são cultivadas em um processo de várias etapas que começa com um molde de alumina contendo minúsculos poros cobertos por um eletrólito contendo precursores de monômero. Quando um potencial elétrico é aplicado ao modelo, eletrodos na base de cada poro atraem os monômeros e começam a formar nanofibras ocas. A quantidade de corrente aplicada e o tempo de crescimento controlam o comprimento das fibras e a espessura de suas paredes, enquanto o tamanho do poro controla o diâmetro. Os diâmetros das fibras variam de 18 a 300 nanômetros, dependendo do modelo de poro.

Após a formação das cadeias monoméricas, as nanofibras são reticuladas com um processo de eletropolimerização, e o modelo removido. A estrutura resultante pode ser anexada a dispositivos eletrônicos por meio da aplicação de um líquido, como água ou solvente, que espalha as fibras e cria adesão por ação capilar e forças de van der Waals.

"Com a abordagem de processamento de polimerização eletroquímica que adotamos, fomos capazes de alinhar as cadeias do polímero, e o modelo parece evitar que as cadeias se dobrem em cristais para que o material permaneça amorfo, "Cola explicou." Mesmo que nosso material seja amorfo do ponto de vista cristalino, as cadeias de polímero estão altamente alinhadas - cerca de 40 por cento em algumas de nossas amostras. "

Embora a técnica ainda exija um maior desenvolvimento e não seja totalmente compreendida teoricamente, Cola acredita que pode ser ampliado para fabricação e comercialização. O novo material pode permitir interfaces térmicas confiáveis ​​de até três mícrons - em comparação com os materiais convencionais de 50 a 75 mícrons.

“Existem alguns desafios com a nossa solução, mas o processo é inerentemente escalonável de forma semelhante à galvanoplastia, "disse ele." Este material é bem conhecido por suas outras aplicações, mas o nosso é um uso diferente. "

Os engenheiros estão procurando um material de interface térmica aprimorado que possa ajudar a remover o calor dos dispositivos eletrônicos. O problema de remoção de calor piorou à medida que os dispositivos ficaram menores e mais potentes.

Em vez de buscar materiais por causa de sua alta condutividade térmica, Cola e seus colaboradores investigaram materiais que pudessem proporcionar maiores níveis de contato na interface. Isso porque em alguns dos melhores materiais de interface térmica, menos de um por cento do material estava realmente fazendo contato.

"Parei de pensar tanto sobre a condutividade térmica dos materiais e comecei a pensar sobre quais tipos de materiais fazem um contato realmente bom em uma interface, "Disse Cola. Ele decidiu buscar materiais de politiofeno depois de ler um artigo que descrevia uma aplicação de" pé de lagartixa "em que o material fornecia cerca de 80% de contato.

Amostras do material foram testadas a 200 graus Celsius por meio de 80 ciclos térmicos sem qualquer diferença detectável no desempenho. Embora mais trabalho seja necessário para entender o mecanismo, Cola acredita que a robustez resulta da adesão do polímero, e não de uma ligação.

"Podemos ter contato sem que um vínculo permanente seja formado, "disse ele." Não é permanente, portanto, tem uma acomodação de estresse embutida. Ele desliza e permite que o estresse do ciclo térmico relaxe. "

Além dos já mencionados, os co-autores do artigo incluem o professor Kenneth Sandhage, Cientista pesquisador Ye Cai, O professor assistente Asegun Henry e o assistente de graduação Wei Lv da Georgia Tech; Prof. Li Shi, Annie Weathers, Kedong Bi, Micheal T. Pettes and Sally McMenamin in the Department of Mechanical Engineering at the University of Texas at Austin; and Daniel P. Resler, Todd Gattuso and David Altman of the Raytheon Company.

A patent application has been filed on the material. Cola has formed a startup company, Carbice Nanotechnologies, to commercialize thermal interface technologies. It is a member of Georgia Tech's VentureLab program.