(Phys.org)—Une équipe de chercheurs interdisciplinaires du Rensselaer Polytechnic Institute a développé une nouvelle méthode pour augmenter considérablement le taux de transfert de chaleur entre deux matériaux différents. Résultats de l'étude de l'équipe, publié dans la revue Matériaux naturels , pourrait permettre de nouvelles avancées dans le refroidissement des puces informatiques et des dispositifs à diodes électroluminescentes (DEL), capter l'énergie solaire, récupérer la chaleur résiduelle, et d'autres applications.

En prenant en sandwich une couche de "nanoglue" ultrafine entre le cuivre et la silice, l'équipe de recherche a démontré une augmentation de quatre fois de la conductance thermique à l'interface entre les deux matériaux. Moins d'un nanomètre - ou un milliardième de mètre - d'épaisseur, la nanocolle est une couche de molécules qui forment des liens forts avec le cuivre (un métal) et la silice (une céramique), qui autrement ne colleraient pas bien ensemble. Ce type de verrouillage nanomoléculaire améliore l'adhérence, et aide également à synchroniser les vibrations des atomes qui composent les deux matériaux qui, à son tour, facilite un transport plus efficace des particules de chaleur appelées phonons. Au-delà du cuivre et de la silice, l'équipe de recherche a démontré que leur approche fonctionne avec d'autres interfaces métal-céramique.

Le transfert de chaleur est un aspect critique de nombreuses technologies différentes. À mesure que les puces informatiques deviennent plus petites et plus complexes, les fabricants sont constamment à la recherche de nouveaux et meilleurs moyens d'éliminer l'excès de chaleur des dispositifs à semi-conducteurs afin d'améliorer la fiabilité et les performances. Avec des appareils photovoltaïques, par exemple, un meilleur transfert de chaleur conduit à une conversion plus efficace de la lumière du soleil en énergie électrique. Les fabricants de LED recherchent également des moyens d'augmenter l'efficacité en réduisant le pourcentage de puissance d'entrée perdue sous forme de chaleur. Ganapati Ramanath, professeur au Département de science et génie des matériaux de Rensselaer, qui a dirigé la nouvelle étude, a déclaré que la capacité d'améliorer et d'optimiser la conductance thermique interfaciale devrait conduire à de nouvelles innovations dans ces applications et d'autres.

"Les interfaces entre différents matériaux sont souvent des goulots d'étranglement du flux de chaleur en raison du transport de phonons étouffé. L'insertion d'un troisième matériau ne fait généralement qu'empirer les choses en raison d'une interface supplémentaire créée, " dit Ramanath. " Cependant, notre méthode d'introduction d'une nanocouche ultrafine de molécules organiques qui se lient fortement aux deux matériaux à l'interface donne lieu à des augmentations multiples de la conductance thermique interfaciale, contrairement à la mauvaise conduction thermique observée aux interfaces inorganique-organique. Cette méthode pour régler la conductance thermique en contrôlant l'adhérence à l'aide d'une nanocouche organique fonctionne pour les systèmes de matériaux multiples, et offre un nouveau moyen de manipulation au niveau atomique et moléculaire de plusieurs propriétés à différents types d'interfaces de matériaux. Aussi, c'est cool de pouvoir le faire assez discrètement par la simple méthode d'auto-assemblage d'une seule couche de molécules."

Résultats de la nouvelle étude, intitulé "Amélioration de la conductance thermique induite par la liaison aux hétérointerfaces inorganiques à l'aide de monocouches nanomoléculaires, " ont été publiés en ligne récemment par Matériaux naturels , et paraîtra dans une prochaine édition imprimée de la revue.

L'équipe de recherche a utilisé une combinaison d'expériences et de théories pour valider leurs résultats.

"Notre étude établit la corrélation entre la force de liaison interfaciale et la conductance thermique, qui sert à étayer de nouvelles descriptions théoriques et à ouvrir de nouvelles voies pour contrôler le transfert de chaleur interfacial, " a déclaré le co-auteur Pawel Keblinski, professeur au Département de science et génie des matériaux de Rensselaer.

"Il est vraiment remarquable qu'une seule couche moléculaire puisse apporter une si grande amélioration des propriétés thermiques des interfaces en formant des liaisons interfaciales fortes. Cela serait utile pour contrôler le transport de chaleur pour de nombreuses applications en électronique, éclairage, et la production d'énergie, " a déclaré le co-auteur Masashi Yamaguchi, professeur agrégé au Département de physique, Physique appliquée, et l'Astronomie à Rensselaer.

"The overarching goal of Professor Ramanath's NSF-sponsored research is to elucidate, using first-principles-based models, the effects of molecular chemistry, chemical environment, interface topography, and thermo-mechanical cycling on the thermal conductance of metal-ceramic interfaces modified with molecular nanolayers, " said Clark V. Cooper, senior advisor for science at the NSF Directorate for Mathematical and Physical Sciences, who formerly held the post of program director for Materials and Surface Engineering. "Consistent with NSF's mission, the focus of his research is to advance fundamental science, but the potential societal benefits of the research are enormous."

"This is a fascinating example of the interplay between the physical, chimique, and mechanical properties working in unison at the nanoscale to determine the heat transport characteristics at dissimilar metal-ceramic interfaces, " said Anupama B. Kaul, a program director for the Division of Electrical, Communications, and Cyber Systems at the NSF Directorate for Engineering. "The fact that the organic nanomolecular layer is just a monolayer in thickness and yet has such an important influence on the thermal characteristics is truly remarkable. Dr. Ramanath's results should be particularly valuable in nanoelectronics where heat management due to shrinking device dimensions continues to be an area of active research."