Les images prises avec un microscope électronique à balayage à émission de champ montrent les poils de nanofils qui se forment sur des particules de cuivre de différentes tailles. En haut à droite, une coupe transversale d'une des particules révèle son intérieur creux. Image reproduite avec l'aimable autorisation du Varanasi Lab
Parfois, une simple décision d'essayer quelque chose de non conventionnel peut conduire à une découverte importante.
Une méthode bien connue de fabrication de dissipateurs thermiques pour appareils électroniques est un processus appelé frittage, dans lequel le métal en poudre est façonné dans une forme souhaitée puis chauffé sous vide pour lier les particules ensemble. Mais dans une expérience récente, certains étudiants ont essayé de fritter des particules de cuivre dans l'air et ont eu une grosse surprise.
Au lieu de la forme métallique solide attendue, ce qu'ils ont trouvé était une masse de particules qui avaient poussé de longues moustaches de cuivre oxydé. "C'était en quelque sorte un heureux hasard, " dit Kripa Varanasi, d'Arbeloff Professeur assistant de génie mécanique au MIT. "Nous avons ce truc de fou, particules recouvertes de nanofils, " dit-il.
Le processus résultant pourrait s'avérer être une nouvelle méthode importante pour la fabrication de structures couvrant une gamme de tailles allant jusqu'à quelques nanomètres (milliardièmes de mètre). « On passe en une seule étape de la poudre solide sphérique à des structures très complexes, " dit Christopher Love, un étudiant diplômé en génie mécanique qui est l'auteur principal de l'article. « Le processus est très simple, et les structures sont durables, " dit-il. Ces nouvelles structures pourraient être utilisées pour gérer les flux de chaleur dans diverses applications allant des centrales électriques au refroidissement de l'électronique.
Non seulement les particules étaient recouvertes de fils fins, mais l'abondance des fils s'est avérée dépendre de la taille des particules de cuivre d'origine. « Nous sommes les premiers à observer une oxydation granulométrique du cuivre, ", dit Varanasi. Cela signifie que les chercheurs peuvent facilement synthétiser des structures poreuses à différentes échelles, en masse, en sélectionnant les particules avec lesquelles ils partent :Particules plus petites qu'une certaine taille d'aggloméré, tandis que des particules plus grosses font pousser des nanofils.
La découverte est rapportée dans un article publié dans la revue RSC Nanoscale. En plus de Varanasi et Love, les auteurs de l'article sont l'étudiant diplômé en génie mécanique J. David Smith et le postdoctorant Yuehua Cui du Laboratoire de fabrication et de productivité.
De telles structures hiérarchiques peuvent être très efficaces pour la gestion thermique, tout refroidir, des microprocesseurs aux chaudières des énormes centrales électriques. Ils pourraient même s'avérer utiles dans la géothermie artificielle, qui est très prometteur en tant que système pour fournir des produits propres, énergie renouvelable. Parce que les structures résultantes sont si facilement contrôlées, « vous pouvez les optimiser pour contrôler des phénomènes se déroulant à différentes échelles de durée et de temps, ", dit Varanasi.
Alors que la croissance de nanofils sur des feuilles de cuivre massives avait été observée auparavant, Varanasi dit, c'est la première fois qu'il a été observé à travers une variété d'échelles de taille à la fois, et la première fois que le processus a été analysé et expliqué. « Il y a eu un tas de théories différentes sur la façon dont ces nanofils se développent, " dit-il. Mais maintenant, « cet article a établi de manière approfondie » quel est le mécanisme des particules de cuivre :les poils poussent vers l'extérieur par diffusion, laissant les particules creuses au milieu pendant que le métal migre vers l'extérieur.
L'équipe teste maintenant le même procédé avec d'autres matériaux. Par exemple, s'il fonctionne avec du zirconium - le métal maintenant utilisé comme gainage pour les barres de combustible dans les réacteurs nucléaires - il pourrait aider à améliorer le transfert de chaleur. Dans un réacteur nucléaire, où ce processus entraîne des turbines et produit de l'électricité, une telle avancée pourrait augmenter l'efficacité globale des réacteurs.
En plus de la gestion thermique, ces résultats pourraient permettre d'optimiser certains procédés catalytiques, dit Varanasi.
Suresh Garimella, un professeur de génie mécanique à l'Université Purdue qui n'était pas impliqué dans cette recherche, dit que la « nature simple et potentiellement rentable de la méthode » pour la croissance des nanofils de cuivre « rend les résultats significatifs, ” avec des applications potentielles dont la catalyse et la gestion thermique.
Brent Segal, technologue en chef chez Lockheed Martin Nanosystems à Billerica, Masse., dit qu'il s'agit d'un "travail important sur le contrôle des propriétés électriques et thermiques" des matériaux, et peut-être aussi leurs propriétés optiques. Un tel contrôle, de l'échelle microscopique à l'échelle nanoscopique - une différence de taille mille fois supérieure - "n'a jamais été vue auparavant" en un seul processus, il dit.
En voyant la description de l'équipe de cette nouvelle technique, Segal dit, « Vous pensez immédiatement, « Je veux essayer 75 autres matériaux » » pour voir s'ils fonctionnent de la même manière. "Je pense que 100 laboratoires différents à travers le pays vont essayer tout ce qu'ils ont sur le plateau" en utilisant cette technique, il ajoute.
Le travail a été soutenu par le MIT Deshpande Center, un DARPA Young Faculty Award, l'Initiative énergétique du MIT, et une bourse de recherche d'études supérieures de la National Science Foundation.
