Les systèmes de refroidissement qui utilisent un liquide qui change de phase - comme l'eau bouillante sur une surface - peuvent jouer un rôle important dans de nombreuses technologies en développement, y compris les puces avancées et les systèmes à énergie solaire concentrée. Mais comprendre exactement comment ces systèmes fonctionnent, et quels types de surfaces maximisent le transfert de chaleur, est resté un problème difficile.

Maintenant, des chercheurs du MIT ont découvert que relativement simple, la rugosité microscopique d'une surface peut considérablement améliorer son transfert de chaleur. Une telle approche pourrait être beaucoup moins complexe et plus durable que les approches qui améliorent le transfert de chaleur grâce à des motifs plus petits de l'ordre du nanomètre (milliardièmes de mètre). La nouvelle recherche fournit également un cadre théorique pour analyser le comportement de tels systèmes, ouvrant la voie à des améliorations encore plus importantes.

Le travail a été publié ce mois-ci dans la revue Lettres de physique appliquée , dans un article co-écrit par l'étudiant diplômé Kuang-Han Chu, postdoc Ryan Enright et Evelyn Wang, professeur agrégé de génie mécanique.

« La dissipation de la chaleur est un problème majeur » dans de nombreux domaines, en particulier l'électronique, Wang dit; l'utilisation de liquides à changement de phase tels que l'eau bouillante pour évacuer la chaleur d'une surface "a été un domaine d'intérêt important depuis de nombreuses décennies". il n'y a pas eu une bonne compréhension des paramètres qui déterminent comment différents matériaux - et en particulier la texture de surface - peuvent affecter les performances de transfert de chaleur. « En raison de la complexité du processus de changement de phase, ce n'est que récemment que nous avons la capacité de manipuler des surfaces pour optimiser le processus, Wang dit, grâce aux avancées des micro et nanotechnologies.

Chu dit qu'une application potentielle majeure se trouve dans les fermes de serveurs, où la nécessité de garder de nombreux processeurs au frais contribue de manière significative aux coûts énergétiques. Alors que cette recherche a analysé l'utilisation de l'eau pour le refroidissement, il ajoute que l'équipe « pense que cette recherche est généralisable, quel que soit le fluide.

L'équipe a conclu que la raison pour laquelle la rugosité de surface améliore considérablement le transfert de chaleur - plus que doubler la dissipation thermique maximale - est qu'elle améliore l'action capillaire à la surface, aider à garder une ligne de bulles de vapeur « épinglée » à la surface de transfert de chaleur, retardant la formation d'une couche de vapeur qui réduit considérablement le refroidissement.

Pour tester le processus, les chercheurs ont fabriqué une série de plaquettes de silicium de la taille d'un timbre-poste avec divers degrés de rugosité de surface, y compris des échantillons parfaitement lisses pour la comparaison. Le degré de rugosité est mesuré comme la portion de la surface qui peut entrer en contact avec un liquide, par rapport à une surface complètement lisse. (Par exemple, si vous froissez un morceau de papier puis l'aplatissez de manière à ce qu'il couvre une surface deux fois moins grande que la feuille d'origine, cela représenterait une rugosité de 2.)

Les chercheurs ont découvert que l'augmentation systématique de la rugosité entraînait une augmentation proportionnelle de la capacité de dissipation thermique, quelles que soient les dimensions des éléments de rugosité de surface. Les résultats ont montré qu'une simple rugosité de la surface améliorait le transfert de chaleur autant que les meilleures techniques précédentes étudiées, qui a utilisé un processus beaucoup plus complexe pour produire des motifs à l'échelle nanométrique sur la surface.

En plus du travail expérimental, l'équipe a développé un modèle analytique qui correspond très précisément aux résultats observés. Les chercheurs peuvent désormais utiliser ce modèle pour optimiser les surfaces pour des applications particulières.

« Il y a eu une compréhension limitée du type de structures dont vous avez besoin » pour un transfert de chaleur efficace, dit Wang. Cette nouvelle recherche « sert de première étape importante » vers une telle analyse.

Il s'avère que le transfert de chaleur est presque entièrement fonction de la rugosité globale d'une surface, Wang dit, et repose sur l'équilibre entre différentes forces agissant sur les bulles de vapeur qui servent à dissiper la chaleur :tension superficielle, élan et flottabilité .

Alors que les applications les plus immédiates seraient probablement dans les appareils électroniques à haute performance, et peut-être dans les systèmes à énergie solaire concentrée, les mêmes principes pourraient s'appliquer à des systèmes plus importants tels que les chaudières de centrales électriques, usines de dessalement ou réacteurs nucléaires, disent les chercheurs.

Satish Kandlikar, un professeur de génie mécanique au Rochester Institute of Technology qui n'a pas participé à ce travail, dit qu'il est "assez remarquable d'obtenir des flux de chaleur" aussi grands que ceux-ci "sur des surfaces de silicium sans étapes complexes de processus de micro- ou nanofabrication. Ce développement ouvre les portes à une nouvelle classe de structures de surface combinant des caractéristiques à l'échelle micro et nanométrique. » Il ajoute que l'équipe du MIT « devrait être félicitée pour cette découverte majeure. Il fournira de nouvelles directions, en particulier dans les applications de refroidissement de puces. »

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.