La découverte surprenante d'une nouvelle façon de régler et d'améliorer la conductivité thermique - une propriété de base généralement considérée comme fixe pour un matériau donné - donne aux ingénieurs un nouvel outil pour gérer les effets thermiques dans les téléphones intelligents et les ordinateurs, lasers et un certain nombre d'autres appareils alimentés.

La découverte a été faite par un groupe d'ingénieurs dirigé par Deyu Li, professeur agrégé de génie mécanique à l'Université Vanderbilt, et publié en ligne dans la revue Nature Nanotechnologie le 11 décembre.

Li et ses collaborateurs ont découvert que la conductivité thermique d'une paire de fines bandes de matériau appelées nanorubans de bore peut être améliorée jusqu'à 45 % selon le processus utilisé pour coller les deux rubans ensemble. Bien que la recherche ait été menée avec des nanorubans de bore, les résultats sont généralement applicables à d'autres matériaux en film mince.

Une toute nouvelle façon de contrôler les effets thermiques « Cela indique une toute nouvelle façon de contrôler les effets thermiques qui est susceptible d'avoir un impact significatif en microélectronique sur la conception des téléphones intelligents et des ordinateurs, en optoélectronique sur la conception de lasers et de LED, et dans plusieurs autres domaines, " a déclaré Greg Walker, professeur agrégé de génie mécanique à Vanderbilt et un expert en transport thermique qui n'était pas directement impliqué dans la recherche.

Selon Li, la force qui maintient les deux nanorubans ensemble est une faible attraction électrostatique appelée force de van der Waals. (C'est la même force qui permet au gecko de gravir les murs.)

"Traditionnellement, il est largement admis que les phonons qui transportent la chaleur sont dispersés aux interfaces de van der Waals, ce qui rend la conductivité thermique des faisceaux de ruban la même que celle de chaque ruban. Ce que nous avons découvert contraste fortement avec cette vision classique. Nous montrons que les phonons peuvent traverser ces interfaces sans être dispersés, ce qui améliore considérablement la conductivité thermique, " a déclaré Li. De plus, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient contrôler la conductivité thermique entre une valeur élevée et une valeur faible en traitant l'interface des paires de nanoruban avec différentes solutions.

L'amélioration est complètement réversible

L'un des aspects remarquables de l'effet découvert par Li est qu'il est réversible. Par exemple, lorsque les chercheurs ont mouillé l'interface d'une paire de nanorubans avec de l'alcool isopropylique, les presser ensemble et les laisser sécher, la conductivité thermique était la même que celle d'un seul nanoruban. Cependant, quand ils les mouillaient avec de l'alcool pur et les laissaient sécher, la conductivité thermique a été améliorée. Puis, quand ils les ont mouillés à nouveau avec de l'alcool isopropylique, la conductivité thermique est retombée à sa faible valeur d'origine.

"Il est très difficile de régler une propriété fondamentale des matériaux telle que la conductivité thermique et la conductivité thermique réglable démontrée rend la recherche particulièrement intéressante, ", a déclaré Walker.

L'un des premiers domaines où ces nouvelles connaissances sont susceptibles d'être appliquées est la gestion thermique des dispositifs microélectroniques tels que les puces informatiques. Aujourd'hui, des milliards à des milliards de transistors sont coincés dans des puces de la taille d'un ongle. Ces puces génèrent tellement de chaleur que l'un des principaux facteurs de leur conception est d'éviter la surchauffe. En réalité, la gestion de la chaleur est l'une des principales raisons derrière les conceptions de processeurs multicœurs d'aujourd'hui.

"Une meilleure compréhension du transport thermique à travers les interfaces est la clé pour parvenir à une meilleure gestion thermique des dispositifs microélectroniques, " dit Li.

La découverte peut améliorer la conception des nanocomposites

Un autre domaine où la découverte sera importante est la conception de "nanocomposites" - des matériaux fabriqués en incorporant des additifs nanostructurés tels que des nanotubes de carbone à un matériau hôte tel que divers polymères - qui sont développés pour être utilisés dans des dispositifs électroniques flexibles, matériaux de structure pour les véhicules aérospatiaux et une variété d'autres applications.