Un rendu de gouttelettes de métal liquide noyées dans un matériau en silicone (à gauche) et de sphères microscopiques de verre creux enfermées dans une gouttelette de ce métal liquide (à droite). Crédit :Scott Schrage | Communication universitaire
Pour certains, la simple mention du métal liquide pourrait évoquer des visions du T-1000 :le méchant métamorphe et presque invincible qui fait monter la pression sur le futur sauveur de l'humanité dans "Terminator 2".
Mais pour Eric Markvicka et ses collègues de l'Université du Nebraska-Lincoln, les gouttelettes de ce matériau apparaissent comme un protagoniste dans la quête de la dissipation de la chaleur et de la prévention de la surchauffe dans les technologies portables, la robotique douce et d'autres applications microélectroniques.
"À mesure que la puissance de calcul augmente, la dissipation thermique devient un facteur de plus en plus important", a déclaré Markvicka, professeur adjoint d'ingénierie mécanique et des matériaux.
Vous n'aidez pas ? Le fait que de nombreux appareils portables et autres technologies intelligentes intègrent des matériaux malléables et élastiques qui réduisent le poids et augmentent le confort, mais emprisonnent également la chaleur. Pour résoudre le problème, Markvicka et d'autres ingénieurs ont essayé de charger les matériaux isolants avec des gouttelettes de métal liquide qui conduisent naturellement la chaleur et peuvent par conséquent l'éloigner de la microélectronique qui la génère.
L'approche a fonctionné, jusqu'à un certain point. Pourtant, à ce stade, une prise de conscience donne à réfléchir :bien que les gouttelettes de métal liquide améliorent la conductivité thermique, leur densité (et le nombre nécessaire pour vraiment améliorer cette conductivité) peut également ajouter une quantité de poids peu pratique.
Ce bras de fer entre la conductivité thermique et la densité avait laissé les ingénieurs au point mort. Mais dans une nouvelle étude, l'équipe de Markvicka a montré que l'intégration d'un matériau en silicone avec des gouttelettes à base de gallium - et, surtout, l'intégration de ces gouttelettes avec des sphères microscopiques de verre creux - peut principalement conserver l'augmentation de la dissipation thermique sans sacrifier la souplesse légère du matériau.
Le professeur adjoint Eric Markvicka (à gauche) et le doctorant Ethan Frings au Nebraska Hall. Crédit :Craig Chandler | Communication universitaire
"Il est encore mou et caoutchouteux mais a une conductivité thermique approchant (celle de) certains métaux rigides, comme le titane ou l'acier inoxydable, avec environ la moitié de la densité de ces métaux", a déclaré Markvicka. "Cette combinaison de propriétés rend le matériau unique et intéressant."
Tout en expérimentant les microsphères de verre, les chercheurs ont testé des versions du silicone dont les gouttelettes de métal liquide abritaient des volumes variables de verre creux, de 0 % à 50 %. L'augmentation de volume de 50 % a entraîné une diminution de 35 % de la densité globale du matériau et une baisse de seulement 14 % de la conductivité thermique, cette dernière partant déjà d'une ligne de base plus élevée que dans le silicone dépourvu de métal liquide.
Cet exploit, en soi, était suffisant pour que les ingénieurs se réjouissent. Markvicka, le doctorant Ethan Krings et leurs collègues n'en avaient pas fini. À l'aide de travaux de modélisation antérieurs, l'équipe du Nebraska a ensuite développé ce que Markvicka a décrit comme une "carte de contour" pour guider la future personnalisation de matériaux souples qui reposent sur l'approche de poupées gigognes russes de l'équipe.
En développant la carte, l'équipe formalisait ce que ses expériences révélaient :qu'une ingénierie minutieuse peut détacher les propriétés normalement entrelacées d'un polymère, accordant un contrôle inégalé sur les performances du matériau.
Un axe de la carte représente le volume de gouttelettes de métal liquide dans un matériau; l'autre axe quantifie le volume de microsphères de verre dans les gouttelettes. La seule modification du volume des microsphères de verre, selon la carte, peut modifier la densité du matériau tout en laissant la conductivité thermique presque complètement inchangée. La modification des ratios de verre et de métal liquide, quant à elle, peut modifier la conductivité thermique sans affecter la densité.
"Nous avons donc pu montrer que nous pouvons désormais contrôler indépendamment la conductivité thermique et la densité de ces composites, ce qui n'a jamais été démontré auparavant", a déclaré Markvicka, dont l'équipe a détaillé sa preuve de concept dans la revue Small.
Lignes indiquant les volumes proportionnels de métal liquide et de verre qui maintiendront une conductivité thermique constante (noir) et une densité constante (blanc) dans les matériaux composites souples. Crédit :Small / John Wiley &Sons
Les chercheurs ont en outre démontré ce contrôle en fabriquant plusieurs versions en silicone du Nebraska N de l'université. Chaque version avait une densité différente, comme en témoigne le fait que la plus dense coulait au fond d'un cylindre rempli de liquide, la moins dense flottait au niveau du haut, et une version modérément dense flottait entre les deux. Malgré leurs densités variables, les N dissipaient la chaleur à peu près au même rythme lorsque l'électricité était conduite à travers un élément chauffant implanté dans chacun.
Markvicka voit une myriade de façons dont un matériau souple mais thermiquement conducteur pourrait bénéficier à la technologie émergente. Pour commencer, a-t-il dit, cela pourrait aider à atténuer les limitations de la puissance de calcul de la microélectronique qui sont intégrées à la technologie portable, facilitant ainsi la voie vers des appareils plus rapides avec plus de fonctionnalités.
Les ingénieurs de la technologie numérique à plus grande échelle, y compris les ordinateurs et les consoles de jeux, pourraient également trouver cela utile lors de la fabrication de matériaux dits d'interface qui transportent des quantités substantielles de chaleur des processeurs aux liquides de refroidissement. La console PlayStation 5, par exemple, utilise déjà du métal liquide à cette fin.
Au-delà de cela se trouvent les applications évidentes dans les vêtements thermorégulateurs, a déclaré Markvicka, qui peuvent surveiller la température de la peau d'un porteur, puis fournir ou éliminer la chaleur en conséquence.
"Beaucoup de grandes entreprises d'outillage ont ces vestes et équipements chauffants pour aider les travailleurs à rester au chaud dans les environnements froids", a-t-il déclaré. "Ce matériau pourrait fonctionner comme un dissipateur de chaleur passif pour obtenir un chauffage plus uniforme dans toute une veste et éliminer les points chauds, sans restreindre le mouvement du porteur.
"Tout ce avec quoi le corps humain interagit, il pourrait y avoir des applications pour ce matériau." Le tissu de l'équipement de randonnée a un effet rafraîchissant qui peut rendre votre prochaine montre connectée plus confortable
