Raffreddamento

Creato un materiale che conduce il calore in una sola direzione

Il calore è da sempre nemico degli ingegneri elettronici. Compromette l’affidabilità dei componenti o li porta persino alla rottura. Per questo motivo, nei PC si fa largo uso di pasta termica, cui si accompagnano heatpipe, ventole e anche sistemi di raffreddamento a liquido.

L’obiettivo è allontanare il più possibile il calore dai componenti sensibili e disperderlo nell’ambiente. Tuttavia l’esigenza di ridurre sempre più le dimensioni dei dispositivi acuisce sempre più questa sfida (le CPU attuali hanno processi produttivi nell’ordine di alcuni nanometri).

Al momento i materiali più usati sono i metalli, come il rame, data la loro elevata conducibilità termica in rapporto al costo. Il calore però li attraversa ugualmente in ogni direzione, propagandosi pertanto ad ogni altro componente a contatto termico con il metallo.

Per un’efficacia maggiore, un conduttore dovrebbe incanalare il calore in una sola direzione, e non in quella perpendicolare. Così facendo, il calore viaggerebbe lungo tale direttrice senza disperdersi.

Un conduttore simile semplificherebbe molto la vita agli ingegneri termici, ma crearlo però è molto difficile.

Lo scienziato dell’Università di Tokyo Shingi Yamaguchi, insieme a un gruppo di colleghi, ha creato un materiale con caratteristiche simili, formato da nanotubi di carbonio opportunamente allineati, che conducono il calore solo lungo la loro direzione. Questa nuova soluzione ha il potenziale di rivoluzionare la progettazione dei sistemi di raffreddamento per computer ed altri dispositivi.

Ma questa scoperta non nasce dal nulla. L’elevatissima conduttanza termica dei nanotubi di carbonio era già nota agli scienziati dei materiali (1.000 W m-1 K-1, più del doppio rispetto al rame che si ferma a 400 W m-1 K-1).

Il problema stava nel ricavare un materiale vero e proprio da un insieme di nanotubi. Il metodo utilizzato consisteva nel farli depositare su un substrato plastico, formando così uno strato. In questo modo però, i nanotubi si disponevano in modo casuale o comunque il loro allineamento era impreciso.

Ne conseguiva che, a causa della scarsa superficie di contatto tra loro, il materiale aveva una conduttività termica troppo bassa. “È essenziale eliminare queste carenze strutturali per utilizzare l’elevata conduttanza termica dei singoli nanotubi di carbonio in conglomerati di nanotubi di carbonio allineati”, ha dichiarato Yamaguchi.

La soluzione elaborata dallo scienziato e il suo gruppo è semplice: basta creare un materiale formato da nanotubi perfettamente allineati, per garantire un buon contatto termico fra loro e quindi mantenerne le elevate le proprietà conduttive.

Questo è possibile grazie a una tecnica nota come filtrazione sottovuoto controllata. Già nel 2012 alcuni fisici avevano scoperto che i nanotubi di carbonio possono essere organizzati in una struttura ove si allineano autonomamente, come succede in un cristallo.

Nello specifico, questo si ottiene miscelando i nanotubi in un liquido contenente un tensioattivo, per ridurne la tensione superficiale. Dopodiché, i nanotubi iniziano ad allinearsi autonomamente sulla superficie, mantenendo un’elevata densità.

Successivamente si procede, lentamente ed attentamente, a rimuovere il liquido tramite un filtro usando il vuoto. Il risultato ottenuto è uno strato sottile di nanotubi perfettamente allineati, che hanno proprietà straordinarie.

Il gruppo di scienziati giapponesi afferma che questo nuovo materiale ha una conduttanza termica di 43 W m-1 K-1 nella direzione di allineamento dei nanotubi. Trasversalmente ad essi questo valore scende di ben tre ordini di grandezza (0,085 W m-1 K-1, quasi come la vetroresina).

Detto in breve, il film di nanotubi ha la capacità di condurre 500 volte meglio il calore in una direzione rispetto all’altra. Una asimmetria mai osservata in materiali simili.

La spiegazione è semplice. I nanotubi sono termicamente in contatto grazie ai loro “finali”, e il calore si sposta agevolmente da uno all’altro. Sulla loro lunghezza questo avviene con più difficoltà, perché la superficie di contatto è inferiore.

Yamaguchi e il suo team hanno inoltre sottolineato che questo materiale ha anche dei limiti. Sebbene l’asimmetria fra la conduttività termica nelle due direzioni sia impressionante, il suo valore massimo è di soli 43 W m-1 K-1, paragonabile a una saldatura piombo/stagno.

Gli scienziati pensano che sebbene i nanotubi siano a contatto ai loro capi, il collegamento non è perfetto, causando una perdita di conduttanza termica ad ogni “giuntura” tra un nanotubo e l’altro. Per cui, quanto più corti sono i nanotubi, tante più perdite si verificano.

“Ciò suggerisce che la conduttanza termica nella direzione dell’allineamento dei nanotubi può essere ancora maggiore con nanotubi di carbonio costituenti più lunghi”, hanno dichiarato gli scienziati. Al momento sono stati usati nanotubi lunghi 200 nm.

Questa è però un’impresa non semplice, dato che la maggiore lunghezza potrebbe influenzare negativamente l’auto-allineamento dei nanotubi durante la creazione del film. Yamaguchi e colleghi sono tuttavia già all’opera per arrivare a un traguardo ancora migliore con altri esperimenti. Per ora, agli ingegneri non rimane che aspettare con le dita incrociate.