Un material de nanotubos conduce el calor en una sola dirección

fotografía de nanotubos siendo creados comunes de wikimedia

El calor es una especie de molestia para los ingenieros eléctricos. Reduce la confiabilidad de los dispositivos electrónicos e incluso hace que fallen por completo. Es por eso que los componentes de la computadora se untan generosamente con pasta térmica y se conectan a tuberías de calor, ventiladores e incluso sistemas de refrigeración por agua.

El objetivo es canalizar el calor lejos de los componentes sensibles para que pueda disiparse en el medio ambiente. Pero a medida que los dispositivos se vuelven más pequeños, el desafío se vuelve más agudo, y los transistores modernos, por ejemplo, se miden en nanómetros.

Los conductores más rentables son los metales como el cobre, pero el calor viaja a través de ellos igualmente bien en todas las direcciones. Eso significa que el calor puede propagarse a cualquier otro componente que también esté en contacto térmico con el metal.

Un conductor más efectivo canalizaría el calor en una dirección pero no en la perpendicular. En este caso, el calor viajaría a lo largo de dicho material pero no a través de él.

Este tipo de conductor asimétrico facilitaría significativamente la vida de los ingenieros térmicos. Pero crearlos es difícil.

Ingrese a Shingi Yamaguchi en la Universidad de Tokio en Japón y un grupo de colegas, que han creado un material a partir de nanotubos de carbono cuidadosamente alineados que conducen el calor de esta manera. La nueva sustancia tiene el potencial de revolucionar la forma en que los ingenieros térmicos diseñan y construyen sistemas de enfriamiento para computadoras y otros dispositivos.

Primero algunos antecedentes. Los científicos de materiales son muy conscientes de que los nanotubos de carbono son conductores excepcionales. Estos diminutos tubos tienen una conductancia térmica superior a 1000 W m-1 K-1. En comparación, el cobre tiene una conductancia térmica de unos 400 W m-1 K-1.

El problema surge cuando los científicos de materiales intentan hacer un material a granel a partir de nanotubos. Lo hacen permitiendo que los tubos se asienten sobre un sustrato de plástico, formando una capa. Pero los nanotubos tienden a estar mal alineados o dispuestos al azar.

Como resultado, tienen un mal contacto térmico entre sí y esto reduce la conductividad del material a granel. Es esencial eliminar estas deficiencias estructurales para utilizar la alta conductancia térmica de los nanotubos de carbono individuales en ensamblajes de nanotubos de carbono alineados, dice Yamaguchi y compañía.

Su solución es simple: crean un material en el que los nanotubos de carbono están alineados con precisión y, por lo tanto, tienen un buen contacto térmico de extremo a extremo.

Esto es posible gracias a una técnica conocida como filtración al vacío controlada. En 2012, los físicos descubrieron que, en determinadas circunstancias, los nanotubos de carbono flotantes pueden formar una estructura autoorganizada en la que todos se alinean como en un cristal.

Los nanotubos se mezclan primero en un líquido que contiene un tensioactivo que reduce su tensión superficial. Siempre que la concentración de nanotubos esté por debajo de un nivel crítico, comienzan a autoorganizarse en la superficie del líquido y se alinean densamente.

Luego, el líquido se elimina succionándolo con cuidado y lentamente a través de un filtro usando una aspiradora, dejando atrás los nanotubos. El resultado es una lámina delgada de nanotubos altamente alineados con algunas propiedades extraordinarias.

Yamaguchi y compañía dicen que el nuevo material conduce el calor en la dirección de la alineación de los nanotubos con una conductancia térmica de 43 W m-1 K-1. Por el contrario, la conductancia en la dirección perpendicular es tres órdenes de magnitud menor a 0,085 W m-1 K-1, aproximadamente lo mismo que la fibra de vidrio.

En otras palabras, el material conduce 500 veces mejor en una dirección que en la otra, la mayor asimetría jamás observada para este tipo de materiales.

La razón es simple. Cuando los nanotubos están en contacto térmico de punta a punta, el calor viaja fácilmente de uno a otro. Pero los tubos no tienen un buen contacto térmico a lo largo de su longitud, ya que la huella de contacto es pequeña para los tubos uno al lado del otro.

Yamaguchi y compañía se apresuran a señalar las limitaciones de su nuevo material. Aunque tiene propiedades enormemente asimétricas, su conductividad térmica más alta es de solo 43 W m-1 K-1, casi la misma que la soldadura de estaño/plomo.

Sin embargo, creen saber por qué es tan bajo en comparación con el de los nanotubos de carbono individuales. Dicen que aunque los nanotubos están en contacto térmico de punta a punta, este contacto no es perfecto. Cada salto que tiene que hacer el calor de un nanotubo al siguiente reduce la conductancia térmica. Y cuanto más cortos sean los tubos, más saltos se requieren.

Yamaguchi y compañía usan nanotubos de solo 200 nanómetros de largo. Esto sugiere que la [conductancia térmica en la dirección de la alineación de los nanotubos] puede ser aún mayor con nanotubos de carbono constituyentes más largos, dicen.

Hacer un material similar a partir de nanotubos más largos no será necesariamente sencillo. El comportamiento de autoorganización que crea las películas alineadas es más difícil para los nanotubos más largos. Pero este tipo de desafío de ciencia de materiales seguramente interesará a Yamaguchi, compañía y otros. Sin duda, los experimentos ya están en marcha, con los ingenieros térmicos cruzando los dedos.

Ref: arxiv.org/abs/1911.11340 : Transporte térmico unidireccional en películas de nanotubos de carbono de pared simple densamente alineadas

esconder