As últimas décadas testemunharam um tremendo avanço na tecnologia eletrônica, com o desenvolvimento de dispositivos mais finos, leves, flexíveis e robustos. No entanto, à medida que os dispositivos ficam mais finos, o espaço para acomodar os componentes internos de trabalho também diminui. Isso criou um problema de dissipação de calor inadequada em dispositivos de filme fino, uma vez que os materiais convencionais do dissipador de calor são volumosos e não podem ser integrados a eles. Assim, há a necessidade de materiais de difusão térmica que sejam finos e flexíveis e possam ser implementados em dispositivos de película fina para dissipação de calor eficiente.
Atualmente, vários materiais de substrato podem atuar como difusores de calor como filmes finos, mas a maioria difunde o calor na direção no plano isotropicamente. Isso, por sua vez, pode criar interferência térmica com componentes vizinhos de um dispositivo.

"Para um substrato no qual vários dispositivos são montados em alta densidade, é necessário controlar a direção da difusão térmica e encontrar um caminho eficaz de remoção de calor enquanto isola termicamente entre os dispositivos. O desenvolvimento de filmes de substrato com alta anisotropia no plano a condutividade térmica é, portanto, um alvo importante", explica o professor associado júnior Kojiro Uetani da Tokyo University of Science (TUS) no Japão, que pesquisa materiais avançados para condutividade térmica e anteriormente pertencia ao SANKEN (Instituto de Pesquisa Científica e Industrial), Universidade de Osaka.

Em um estudo recente publicado em ACS Applied Materials &Interfaces , Dr. Uetani e sua equipe, incluindo o professor assistente Shota Tsuneyasu do Instituto Nacional de Tecnologia, Oita College, e o professor Toshifumi Satoh da Universidade Politécnica de Tóquio, ambos no Japão, relataram um filme nanocompósito recém-desenvolvido feito de nanofibras de celulose e fibra de carbono- cargas que demonstraram excelente condutividade térmica anisotrópica no plano.

Muitos compósitos poliméricos com cargas termicamente condutoras têm sido propostos para aumentar a condutividade térmica. No entanto, existem poucos relatos de materiais com cargas particuladas ou em forma de placa que apresentam anisotropia de condutividade térmica, o que é importante para evitar interferência térmica entre dispositivos adjacentes. Cargas fibrosas, como fibras de carbono (CF), por outro lado, podem fornecer anisotropia no plano em materiais bidimensionais devido à sua anisotropia estrutural.

Também é importante selecionar uma matriz com alta condutividade térmica. Nanofibras de celulose (CNFs) extraídas do manto de ascídias foram relatadas como apresentando maior condutividade térmica (cerca de 2,5 W/mK) do que os polímeros convencionais, tornando-o adequado para uso como material dissipador de calor. Como indicado pela capacidade de escrever com um lápis no papel, a celulose tem alta afinidade por materiais de carbono e é fácil de combinar com cargas de CF. Por exemplo, CF hidrofóbico não pode ser disperso em água por si só, mas na presença de CNF, é facilmente disperso em água. Consequentemente, a equipe escolheu as CNFs derivadas de ascídias – ascídias – derivadas do mar como matriz.

Para a síntese do material, a equipe preparou uma suspensão aquosa de CFs e CNFs e, em seguida, usou uma técnica chamada modelagem 3D líquida. O processo resultou em um nanocompósito constituído por uma matriz de celulose com fibras de carbono alinhadas uniaxialmente. Para testar a condutividade térmica dos filmes, a equipe usou o método de termometria de radiação de aquecimento periódico a laser.

Eles descobriram que o material mostrou uma alta anisotropia de condutividade térmica no plano de 433%, juntamente com condutividade de 7,8 W/mK na direção alinhada e 1,8 W/mK na direção ortogonal no plano. Eles também instalaram um dispositivo eletroluminescente em pó (EL) em um filme CF/CNF para demonstrar a dissipação de calor eficaz. Além disso, o filme nanocompósito pode resfriar duas pseudo fontes de calor próximas sem qualquer interferência térmica.

Além das excelentes propriedades térmicas, outra grande vantagem dos filmes CF/CNF é sua reciclabilidade. Os pesquisadores conseguiram extrair os FCs queimando a matriz de celulose, permitindo que fossem reaproveitados. No geral, essas descobertas podem não apenas atuar como uma estrutura para projetar filmes 2D com novos padrões de dissipação de calor, mas também incentivar a sustentabilidade no processo. "O lixo que nós humanos geramos tem um enorme impacto ambiental. Os enchimentos de transferência de calor, em particular, são muitas vezes materiais especializados e caros. Como resultado, queríamos criar um material que não fosse desperdiçado após o uso, mas que pudesse ser recuperado e reutilizado para outras aplicações", conclui o Dr. Uetani. + Explorar mais

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