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La disipación de calor es fundamental para mantener los dispositivos electrónicos en funcionamiento. Sin embargo, la disipación de calor efectiva es un problema importante para la electrónica de película delgada porque los disipadores de calor tradicionales son grandes.
Crédito de la foto: Mitand73/Shutterstock.com
Científicos de Japón descubrieron una solución a este problema en las ascidias o chorros de mar. Hicieron láminas de nanocompuestos flexibles con una matriz de nanofibras de celulosa derivadas de ascidias y rellenos de fibra de carbono. Las películas producidas exhibieron una conducción térmica en el plano anisotrópica superior, y los rellenos de fibra de carbono contenidos en ellas son reutilizables.
Ha habido avances increíbles en la tecnología electrónica en los últimos años, con el desarrollo de dispositivos que son más fuertes, más delgados, más livianos y más flexibles. Sin embargo, a medida que los dispositivos se vuelven más delgados, también lo hace el espacio para alojar los componentes de trabajo internos.
Esto ha creado un problema de mala disipación de calor en los dispositivos de película delgada porque los materiales de los disipadores de calor tradicionales son grandes y no se pueden integrar en ellos. Por lo tanto, existe la necesidad de materiales de difusión térmica que sean delgados, maleables y que puedan incorporarse en dispositivos de película delgada para una disipación de calor eficaz.
En la actualidad, numerosos materiales de sustrato pueden servir como difusores de calor en forma de películas delgadas, pero la mayoría de ellos dispersan el calor isotrópicamente en la dirección del plano. En consecuencia, esto podría crear una interferencia térmica con los componentes cercanos de un dispositivo.
Para un sustrato en el que se montan varios dispositivos de alta densidad, es necesario controlar la dirección de la difusión térmica y encontrar una ruta de disipación de calor efectiva mientras se aísla térmicamente entre dispositivos. Por lo tanto, el desarrollo de películas de sustrato con alta anisotropía de conductividad térmica en el plano es un objetivo importante.
Kojiro Uetani, Profesor Asociado Asociado, Universidad de Ciencias de Tokio
Kojiro Uetani investiga materiales de vanguardia para la conductividad térmica y es miembro de SANKEN (Instituto de Investigación Científica e Industrial) de la Universidad de Osaka.
El estudio en cuestión estuvo disponible en línea por primera vez el 20 de julio.el2022, y posteriormente publicado en el Volumen 14, Número 29 de Interfaces y materiales aplicados de ACS el 27el julio de 2022.
dr. Uetani y su equipo, incluido el profesor asistente Shota Tsuneyasu del Instituto Nacional de Tecnología, Oita College, y el profesor Toshifumi Satoh de la Universidad Politécnica de Tokio, ambos en Japón, presentaron una película nanocompuesta recién fabricada compuesta de nanofibras de celulosa y fibras de carbono. Rellenos que mostraron una conductividad térmica anisotrópica superior en el plano.
Se han propuesto varios compuestos poliméricos con rellenos termoconductores para mejorar la conductividad térmica. Sin embargo, ha habido algunos informes de materiales con rellenos de plaquetas o partículas que exhiben anisotropía de conductividad térmica, lo cual es crucial para evitar la interferencia térmica entre dispositivos cercanos. Los rellenos fibrosos como las fibras de carbono (CF), por otro lado, pueden proporcionar anisotropía en el plano en materiales bidimensionales (2D) debido a su anisotropía estructural.
La elección de una matriz con alta conductividad térmica también es crucial. Se informa que las nanofibras celulósicas (CNF), derivadas del manto de los chorros de mar, tienen una conductividad térmica más alta (~2,5 W/mK) que los polímeros tradicionales, lo que las hace ideales para su uso como material disipador de calor.
Como lo demuestra la capacidad de escribir con un lápiz sobre una hoja de papel, la celulosa tiene una gran afinidad por los materiales de carbono y se incorpora fácilmente con los rellenos CF. Por ejemplo, los CF hidrófobos no pueden dispersarse solo en agua, pero cuando hay CNF presentes, se dispersan sin esfuerzo en el agua. Por esta razón, los investigadores eligieron chorros marinos de base biológica – chorros de mar – adquiridos CNF como matriz.
Para llevar a cabo la síntesis del material, los investigadores prepararon una suspensión acuosa de CF y CNF y luego utilizaron un método conocido como patrón 3D líquido. El proceso culminó en un nanocompuesto que presentaba una matriz celulósica con fibras de carbono alineadas uniaxialmente. Para comprobar la conductividad térmica de las películas, los investigadores utilizaron una técnica periódica de termometría de radiación de punto láser.
Aprendieron que el material tenía una alta anisotropía de conductividad térmica en el plano del 433 % junto con una conductividad de 7,8 W/mK en la dirección alineada y 1,8 W/mK en la dirección ortogonal en el plano. También conectaron un dispositivo electroluminiscente (EL) de polvo a una lámina CF/CNF para demostrar la disipación de calor efectiva.
Además, la película de nanocompuesto pudo enfriar dos fuentes de pseudocalor ubicadas cerca una de la otra sin interferencia térmica.
Además de las excelentes propiedades térmicas, otro gran beneficio de las películas CF/CNF es su reciclabilidad. Los científicos pudieron obtener los CF quemando la matriz de celulosa y así reutilizarlos. En general, estos resultados no solo pueden servir como marco para el desarrollo de láminas 2D con patrones únicos de disipación de calor, sino que también podrían mejorar la sostenibilidad del proceso.
Los residuos que generamos los humanos tienen un gran impacto en el medio ambiente. Los rellenos de transferencia de calor en particular son a menudo materiales especializados y costosos. Como resultado, queríamos crear un material que no se desperdicie después de su uso, pero que pueda recuperarse y reutilizarse para más aplicaciones.
Kojiro Uetani, Profesor Asociado Asociado, Universidad de Ciencias de Tokio
referencia de la revista
Uetani, K., y otros. (2022) Películas de difusión térmica con anisotropía en el plano mediante la alineación de fibras de carbono en una matriz de nanofibras de celulosa. Interfaces y materiales aplicados de ACS. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c09332
Fuente: https://www.tus.ac.jp
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