p A Baratunde Cola gostaria de colocar areia no seu computador. Não areia de praia, mas nanopartículas de dióxido de silício revestidas com um polímero de alta constante dielétrica para fornecer, de maneira econômica, um resfriamento aprimorado para dispositivos eletrônicos que consomem cada vez mais energia. p O dióxido de silício não faz o resfriamento em si. Em vez de, as propriedades de superfície únicas do material revestido em nanoescala conduzem o calor com uma eficiência potencialmente mais alta do que os materiais dissipadores de calor existentes. A física teórica por trás do fenômeno é complicada, envolvendo efeitos eletromagnéticos em nanoescala criados na superfície das minúsculas partículas de dióxido de silício atuando juntas.

p O resultado final pode ser uma classe potencialmente nova de materiais de alta condutividade térmica, úteis para dissipação de calor da eletrônica de potência, LEDs e outras aplicações com altos fluxos de calor.

p "Nós mostramos pela primeira vez que você pode pegar um leito de nanopartículas empacotadas que normalmente atuaria como um isolante, e fazendo com que a luz se acople fortemente ao material por meio da engenharia de um meio de alta constante dielétrica como água ou etilenoglicol nas superfícies, você pode transformar o leito de nanopartículas em um condutor, "disse Cola, professor associado da Woodruff School of Mechanical Engineering no Georgia Institute of Technology. "Usando o efeito eletromagnético de superfície coletivo das nanopartículas, a condutividade térmica pode aumentar 20 vezes, permitindo dissipar o calor. "

p A pesquisa, que envolveu teoria e experimento, é relatado na edição de julho da revista Horizontes de materiais , e foi destaque na edição de 8 de julho da revista Science. O trabalho contou com o apoio do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea e da Força Aérea dos EUA. Os co-autores incluem o Professor James Hammonds na Howard University, e os alunos de graduação Eric Tervo da Georgia Tech e Olalekan Adewuyi da Howard University.

p Nos últimos anos, artigos teóricos previram a capacidade dos polaritons dos fônons de superfície de aumentar a condução térmica em nanomateriais feitos de materiais polares, como o dióxido de silício. Polaritons são quasipartículas quânticas produzidas por forte acoplamento de ondas eletromagnéticas com uma excitação portadora de dipolo elétrico ou magnético. No caso específico dos polaritons de fonon de superfície, as ondas eletromagnéticas são acopladas a uma determinada frequência e polarização de átomos vibrantes no material conhecido como fônons ópticos. Quando os materiais são reduzidos a tamanhos abaixo de 100 nanômetros, as propriedades da superfície do material dominam as propriedades em massa, permitindo que fônons de calor fluam de partícula para partícula no leito compactado com a ajuda das ondas eletromagnéticas acopladas.

p Embora os pesquisadores não pudessem medir anteriormente o fluxo de calor dos polaritons dos fonons de superfície devido a dificuldades experimentais, eles observaram sua propagação de ondas quando a luz atinge a superfície de um material nanoestruturado, sugerindo um papel potencial na dissipação de calor. Além da primeira medição do fluxo de calor, Cola e seus colaboradores também descobriram que o efeito pode ocorrer quando a energia térmica é adicionada a um leito compactado de nanopartículas.

p "O que também estamos mostrando pela primeira vez é que quando você tem nanopartículas do tipo certo em um leito compactado, que você não tem que iluminá-los, "explicou ele." Basta aquecer as nanopartículas e a auto-emissão térmica ativa o efeito. Você cria um campo elétrico em torno das nanopartículas a partir dessa radiação térmica. "

p Os pesquisadores decidiram experimentar essas propriedades especiais, primeiro usando água para revestir as nanopartículas e transformar o leito de nanopartículas de dióxido de silício em um condutor. Mas o revestimento de água não era robusto, então os pesquisadores mudaram para etilenoglicol, um fluido comumente usado no anticongelante de veículos. A nova combinação aumentou a transferência de calor por um fator de 20 a aproximadamente um watt por metro-kelvin, que é maior do que o valor que as nanopartículas de etilenoglicol ou dióxido de silício poderiam produzir sozinhas, e competitivo com compostos de polímero caros usados ​​para dissipação de calor.

p "Você poderia basicamente pegar um dispositivo eletrônico, embalar essas nanopartículas revestidas de etilenoglicol no espaço aéreo, e seria útil como um material de dissipação de calor que, ao mesmo tempo, não conduz eletricidade, "disse Cola." O material tem potencial para ser muito barato e fácil de trabalhar. "

p O dióxido de silício foi escolhido porque sua rede cristalina pode gerar fônons ópticos ressonantes - necessários para o efeito - aproximadamente à temperatura ambiente. Outros materiais também podem ser usados, mas as nanopartículas de dióxido de silício fornecem um bom compromisso de propriedades e custo.

p "A frequência de ressonância, convertido na temperatura de radiação térmica para dióxido de silício, é cerca de 50 graus Celsius, "disse Cola." Com este material, podemos ativar esse efeito em uma faixa de temperatura que um dispositivo microeletrônico provavelmente verá. "

p Embora o etilenoglicol funcione bem, eventualmente irá evaporar. Por essa razão, A Cola planeja identificar materiais poliméricos que podem ser adsorvidos às nanopartículas de dióxido de silício para fornecer um revestimento mais estável com uma vida útil razoável do produto.

p O efeito depende da ação coletiva das nanopartículas de dióxido de silício.

p "Estamos basicamente mostrando uma tradução macroscópica de um efeito em nanoescala, "Disse Cola." Mesmo que o leito de nanopartículas seja um conjunto em massa, é uma montagem em massa que possui uma grande área de superfície interna. A área de superfície interna é o portal pelo qual ele interage com o campo eletromagnético - a luz e o calor. "

p Até aqui, o efeito foi demonstrado em pequenas quantidades de nanopartículas de dióxido de silício. Outra etapa seria ampliar o estudo para demonstrar que o calor pode ser transferido para distâncias maiores em volumes maiores do material, Cola disse.

p "A taxa na qual a energia térmica vai de um lado da partícula para o outro lado da partícula é constante em todo o leito de nanopartículas, então não deve importar a espessura do leito de nanopartículas, "ele explicou." Quando essas partículas estão suficientemente próximas, seus modos são acoplados, que permite que a energia seja transportada. "

p Mais testes seriam necessários para garantir a eficiência a longo prazo e para confirmar que não há impactos sobre a confiabilidade dos dispositivos eletrônicos resfriados com a técnica, Cola disse.