Une nouvelle étude a révélé que "l'ondulation" dans les forêts de nanotubes de carbone alignés verticalement réduit considérablement leur rigidité, répondre à une question de longue date concernant les minuscules structures.

Au lieu d'être un préjudice, l'ondulation peut rendre les réseaux de nanotubes plus conformes et donc utiles comme matériau d'interface thermique pour éloigner la chaleur des futurs circuits intégrés haute puissance.

Mesures de rigidité des nanotubes, qui est influencé par une propriété appelée module, avait suggéré que les forêts de nanotubes alignés verticalement devraient avoir une rigidité beaucoup plus élevée que ce que les scientifiques mesuraient réellement. Le module effectif réduit avait été attribué à une densité de croissance inégale, et sur le flambage des nanotubes en compression.

Cependant, basé sur des expériences, imagerie au microscope électronique à balayage (MEB) et modélisation mathématique, la nouvelle étude a révélé que les sections coudées de nanotubes peuvent être le principal mécanisme réduisant le module.

"Nous pensons que le mécanisme rendant ces nanotubes plus conformes est une infime déformation dans leur structure, " dit Suresh Sitaraman, professeur à la Woodruff School of Mechanical Engineering du Georgia Institute of Technology. "Bien qu'ils semblent être parfaitement droits, sous un grossissement élevé, nous avons trouvé une ondulation dans les nanotubes de carbone qui, selon nous, explique la différence entre ce qui est mesuré et ce qui serait attendu. »

La recherche, qui a été soutenu par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), a été publié en ligne le 31 août 2013, dans la revue Carbone . Il paraîtra plus tard dans l'édition imprimée de la revue.

Les nanotubes de carbone offrent de nombreuses propriétés intéressantes, y compris une conductivité électrique et thermique élevée, et haute résistance. Les nanotubes de carbone individuels ont un module allant de 100 gigapascals à 1,5 téapascals. Les réseaux de nanotubes de carbone alignés verticalement avec une faible densité devraient avoir un module effectif d'au moins cinq à 150 gigapascals, Sitaraman a dit, mais les scientifiques ont généralement mesuré des valeurs qui sont de quatre ordres ou moins de magnitude – entre un et 10 mégapascals.

Pour comprendre ce qui peut être à l'origine de cette variation, Sitaraman et Ph.D. les étudiants Nicholas Ginga et Wei Chen ont étudié des forêts de nanotubes de carbone cultivés sur un substrat de silicium, puis recouvert les pointes des structures avec une autre couche de silicium. Ils ont ensuite utilisé un appareil de test sensible - un nanoindenteur - pour compresser des échantillons de nanotubes et mesurer leur rigidité. Alternativement, ils ont également placé des échantillons des sandwichs silicium-nanotubes sous contrainte de traction - les séparant au lieu de les comprimer.

Ce qu'ils ont découvert, c'est que le module effectif restait faible - jusqu'à 10, 000 fois moins que prévu, que les sandwichs de nanotubes aient été compressés ou séparés. Cela suggère des problèmes de croissance, ou flambage, n'a pas pu pleinement expliquer les différences observées.

Pour chercher des explications potentielles, les chercheurs ont examiné les nanotubes de carbone à l'aide de microscopes électroniques à balayage situés dans les installations de l'Institut d'électronique et de nanotechnologie de Georgia Tech. Au grossissement de 10, 000 fois, ils ont vu l'ondulation dans les sections des nanotubes.

"Nous avons trouvé de très petits plis dans les nanotubes de carbone, " dit Sitaraman. " Bien qu'ils aient semblé être parfaitement droits, il y avait de l'ondulation en eux. Plus nous avons vu d'ondulation, plus leur rigidité était faible."

Ils ont également noté que sous compression, les nanotubes se touchent, influençant le comportement des nanotubes. Ces observations ont été modélisées mathématiquement pour aider à expliquer ce qui était observé dans les différentes conditions étudiées.

"Nous avons pris en compte le contact entre les nanotubes de carbone, ", a déclaré Chen. "Cela nous a permis d'étudier les conditions extrêmes dans lesquelles la déformation des nanotubes est limitée par la présence de nanotubes voisins dans la forêt."

Bien que la perte de module puisse sembler un problème, cela peut en fait être utile dans les applications de gestion thermique, dit Sitaraman. La compliance des nanotubes leur permet de se connecter à un circuit intégré en silicium d'un côté, et être lié à un dissipateur de chaleur en cuivre de l'autre côté. La flexibilité des nanotubes leur permet de se déplacer lorsque les structures supérieure et inférieure se dilatent et se contractent à des vitesses différentes en raison des changements de température.

"La beauté des nanotubes de carbone est qu'ils agissent comme des ressorts entre la puce de silicium et le dissipateur de chaleur en cuivre, " a déclaré Sitaraman. " Ils peuvent conduire beaucoup de chaleur en raison de leurs bonnes propriétés thermiques, et en même temps, ils sont souples et dociles."

Les nanotubes de carbone ont une conductivité thermique extraordinairement élevée, jusqu'à dix fois celle du cuivre, ce qui les rend idéales pour évacuer la chaleur des copeaux.

« La demande d'évacuation de la chaleur des copeaux continue d'augmenter, " a déclaré Ginga. " L'industrie était à la recherche de nouveaux matériaux et de nouvelles techniques à ajouter à sa boîte à outils pour le transfert de chaleur. Différentes approches seront nécessaires pour différents appareils, et cela offre à l'industrie une nouvelle façon de relever le défi. »