Baratunde Cola aimerait mettre du sable dans votre ordinateur. Pas de sable de plage, mais des nanoparticules de dioxyde de silicium recouvertes d'un polymère à constante diélectrique élevée pour fournir à peu de frais un refroidissement amélioré pour les appareils électroniques de plus en plus énergivores.

Le dioxyde de silicium ne fait pas le refroidissement lui-même. Au lieu, les propriétés de surface uniques du matériau nanométrique revêtu conduisent la chaleur avec une efficacité potentiellement plus élevée que les matériaux de dissipation thermique existants. La physique théorique derrière le phénomène est compliquée, impliquant des effets électromagnétiques à l'échelle nanométrique créés à la surface des minuscules particules de dioxyde de silicium agissant ensemble.

L'essentiel pourrait être une nouvelle classe de matériaux à haute conductivité thermique utiles pour la dissipation thermique de l'électronique de puissance, LED et autres applications à flux thermiques élevés.

« Nous avons montré pour la première fois que vous pouvez prendre un lit de nanoparticules compacté qui agirait généralement comme un isolant, et en faisant en sorte que la lumière se couple fortement dans le matériau en créant un milieu à constante diélectrique élevée comme l'eau ou l'éthylène glycol sur les surfaces, vous pouvez transformer le lit de nanoparticules en conducteur, " dit Cola, professeur agrégé à la Woodruff School of Mechanical Engineering du Georgia Institute of Technology. "En utilisant l'effet électromagnétique collectif de surface des nanoparticules, la conductivité thermique peut être multipliée par 20, lui permettant de dissiper la chaleur."

La recherche, qui impliquait à la fois la théorie et l'expérimentation, est rapporté dans le numéro de juillet de la revue Horizons de matériaux , et a été souligné dans le numéro du 8 juillet de la revue Science. Le travail a été soutenu par l'Air Force Research Laboratory et l'U.S. Air Force. Les co-auteurs incluent le professeur James Hammonds de l'Université Howard, et les étudiants diplômés Eric Tervo de Georgia Tech et Olalekan Adewuyi de l'Université Howard.

Au cours des dernières années, des articles théoriques ont prédit la capacité des polaritons de phonons de surface à augmenter la conduction thermique dans les nanomatériaux fabriqués à partir de matériaux polaires comme le dioxyde de silicium. Les polaritons sont des quasiparticules quantiques produites par un fort couplage d'ondes électromagnétiques avec une excitation électrique ou magnétique porteuse de dipôles. Dans le cas particulier des polaritons de phonons de surface, les ondes électromagnétiques sont couplées à une certaine fréquence et polarisation d'atomes vibrants dans le matériau connu sous le nom de phonons optiques. Lorsque les matériaux sont réduits à des tailles inférieures à 100 nanomètres, les propriétés de surface du matériau dominent sur les propriétés de masse, permettant aux phonons de chaleur de circuler de particule à particule dans le lit étroitement tassé avec l'aide des ondes électromagnétiques couplées.

Bien que les chercheurs ne pouvaient pas auparavant mesurer le flux de chaleur des polaritons de phonons de surface en raison de difficultés expérimentales, ils ont observé leur propagation d'ondes lorsque la lumière frappe la surface d'un matériau nanostructuré, suggérant un rôle potentiel dans la dissipation de la chaleur. En plus de la première mesure du flux de chaleur, Cola et ses collaborateurs ont également découvert que l'effet peut se produire lorsque de l'énergie thermique est ajoutée à un lit compact de nanoparticules.

"Ce que nous montrons également pour la première fois, c'est que lorsque vous avez des nanoparticules du bon type dans un lit emballé, que vous n'avez pas à les éclairer, " a-t-il expliqué. " Vous pouvez simplement chauffer les nanoparticules et l'auto-émission thermique active l'effet. Vous créez un champ électrique autour des nanoparticules à partir de ce rayonnement thermique."

Les chercheurs ont décidé d'expérimenter ces propriétés spéciales, utilisant d'abord de l'eau pour enrober les nanoparticules et transformer le lit de nanoparticules de dioxyde de silicium en un conducteur. Mais le revêtement d'eau n'était pas robuste, les chercheurs sont donc passés à l'éthylène glycol, un fluide couramment utilisé dans l'antigel des véhicules. La nouvelle combinaison a augmenté le transfert de chaleur d'un facteur 20 à environ un watt par mètre-kelvin, qui est supérieure à la valeur que les nanoparticules d'éthylène glycol ou de dioxyde de silicium pourraient produire seules, et compétitif avec les composites polymères coûteux utilisés pour la dissipation thermique.

"Vous pourriez en gros prendre un appareil électronique, emballer ces nanoparticules enrobées d'éthylène glycol dans l'espace aérien, et il serait utile comme matériau de dissipation thermique qui en même temps, ne conduira pas l'électricité, " a déclaré Cola. " Le matériau a le potentiel d'être très bon marché et facile à travailler. "

Le dioxyde de silicium a été choisi parce que son réseau cristallin peut générer des phonons optiques résonants - nécessaires à l'effet - à environ la température ambiante. D'autres matériaux peuvent également être utilisés, mais les nanoparticules de dioxyde de silicium offrent un bon compromis de propriétés et de coût.

"La fréquence de résonance, convertie en température de rayonnement thermique pour le dioxyde de silicium, est d'environ 50 degrés Celsius, " dit Cola. " Avec ce matériel, nous pouvons activer cet effet dans une plage de températures qu'un dispositif microélectronique est susceptible de voir. »

Bien que l'éthylène glycol fonctionne bien, il finira par s'évaporer. Pour cette raison, Cola prévoit d'identifier des matériaux polymères qui pourraient être adsorbés sur les nanoparticules de dioxyde de silicium pour fournir un revêtement plus stable avec une durée de vie raisonnable du produit.

L'effet dépend de l'action collective des nanoparticules de dioxyde de silicium.

"Nous montrons essentiellement une traduction macroscopique d'un effet à l'échelle nanométrique, " a déclaré Cola. " Même si le lit de nanoparticules est un assemblage en vrac, c'est un assemblage en vrac qui a beaucoup de surface interne. La surface interne est la passerelle par laquelle elle interagit avec le champ électromagnétique - la lumière et la chaleur."

Jusque là, l'effet a été démontré dans de petites quantités de nanoparticules de dioxyde de silicium. Une autre étape consisterait à étendre l'étude pour démontrer que la chaleur peut être transférée sur de plus longues distances dans de plus grands volumes de matériau, dit Cola.

"La vitesse à laquelle l'énergie thermique passe d'un côté de la particule à l'autre côté de la particule est constante dans tout le lit de nanoparticules, donc peu importe l'épaisseur du lit de nanoparticules, " expliqua-t-il. " Lorsque ces particules sont assez proches les unes des autres, leurs modes sont couplés, qui permet à l'énergie de transporter.

Des tests supplémentaires seraient nécessaires pour garantir l'efficacité à long terme et pour confirmer qu'il n'y a pas d'impacts sur la fiabilité des appareils électroniques refroidis avec la technique, dit Cola.