Un matériau nanotube conduit la chaleur dans une seule direction

photographie de nanotubes en cours de création Wikimédia commons

La chaleur est quelque chose d'une nuisance pour les ingénieurs électriciens. Cela réduit la fiabilité des appareils électroniques et les fait même tomber complètement en panne. C'est pourquoi les composants informatiques sont généreusement enduits de pâte thermique et connectés à des caloducs, des ventilateurs et même des systèmes de refroidissement par eau.

L'objectif est de canaliser la chaleur loin des composants sensibles afin qu'elle puisse se dissiper dans l'environnement. Mais à mesure que les appareils deviennent plus petits, le défi devient plus aigu - et les transistors modernes, par exemple, sont mesurés en nanomètres.

Les conducteurs les plus rentables sont les métaux tels que le cuivre, mais la chaleur les traverse aussi bien dans toutes les directions. Cela signifie que la chaleur peut se propager à tout autre composant qui est également en contact thermique avec le métal.

Un conducteur plus efficace canaliserait la chaleur dans une direction mais pas dans la perpendiculaire. Dans ce cas, la chaleur se déplacerait le long d'un tel matériau mais pas à travers lui.

Ce type de conducteur asymétrique faciliterait considérablement la vie des ingénieurs thermiciens. Mais les créer est difficile.

Entrez Shingi Yamaguchi à l'Université de Tokyo au Japon et un groupe de collègues, qui ont créé un matériau à partir de nanotubes de carbone soigneusement alignés qui conduit la chaleur de cette manière. La nouvelle substance a le potentiel de révolutionner la façon dont les ingénieurs thermiques conçoivent et construisent des systèmes de refroidissement pour ordinateurs et autres appareils.

Tout d'abord un peu de contexte. Les scientifiques des matériaux savent bien que les nanotubes de carbone sont des conducteurs exceptionnels. Ces minuscules tubes ont une conductance thermique supérieure à 1 000 W m-1 K-1. Par comparaison, le cuivre a une conductance thermique d'environ 400 W m-1 K-1.

Le problème survient lorsque les scientifiques des matériaux essaient de fabriquer un matériau en vrac à partir de nanotubes. Pour ce faire, ils permettent aux tubes de se déposer sur un substrat en plastique, formant une couche. Mais les nanotubes ont tendance à être mal alignés ou disposés de manière aléatoire.

En conséquence, ils sont en mauvais contact thermique les uns avec les autres, ce qui réduit la conductivité du matériau en vrac. Il est essentiel d'éliminer ces déficiences structurelles pour utiliser la conductance thermique élevée des nanotubes de carbone individuels dans des assemblages de nanotubes de carbone alignés, déclare Yamaguchi and co.

Leur solution est simple : ils créent un matériau dans lequel les nanotubes de carbone sont précisément alignés et sont donc en bon contact thermique bout à bout.

Ceci est possible grâce à une technique connue sous le nom de filtration contrôlée sous vide. En 2012, des physiciens ont découvert que, dans certaines circonstances, des nanotubes de carbone flottants peuvent former une structure auto-organisée dans laquelle ils s'alignent tous comme dans un cristal.

Les nanotubes sont d'abord mélangés dans un liquide contenant un tensioactif qui réduit sa tension superficielle. À condition que la concentration de nanotubes soit inférieure à un certain niveau critique, ils commencent alors à s'auto-organiser à la surface du liquide et à s'aligner de manière dense.

Le liquide est ensuite éliminé en l'aspirant soigneusement et lentement à travers un filtre à l'aide d'un aspirateur, laissant les nanotubes derrière. Le résultat est une fine feuille de nanotubes hautement alignés avec des propriétés extraordinaires.

Yamaguchi et co affirment que le nouveau matériau conduit la chaleur dans la direction de l'alignement des nanotubes avec une conductance thermique de 43 W m-1 K-1. En revanche, la conductance dans la direction perpendiculaire est inférieure de trois ordres de grandeur à 0,085 W m-1 K-1, à peu près la même que celle de la fibre de verre.

En d'autres termes, le matériau est 500 fois plus conducteur dans un sens que dans l'autre, la plus grande asymétrie jamais observée pour ce type de matériaux.

La raison est simple. Lorsque les nanotubes sont en contact thermique de bout en bout, la chaleur se déplace facilement de l'un à l'autre. Mais les tubes ne sont pas en bon contact thermique sur toute leur longueur, car l'empreinte de contact est minuscule pour les tubes les uns à côté des autres.

Yamaguchi et co n'hésitent pas à souligner les limites de leur nouveau matériel. Bien qu'il ait des propriétés extrêmement asymétriques, sa conductivité thermique la plus élevée n'est que de 43 W m-1 K-1, à peu près la même que la soudure étain/plomb.

Cependant, ils pensent savoir pourquoi il est si faible par rapport à celui des nanotubes de carbone simples. Ils disent que bien que les nanotubes soient en contact thermique de bout en bout, ce contact n'est pas parfait. Chaque saut que la chaleur doit faire d'un nanotube à l'autre réduit la conductance thermique. Et plus les tubes sont courts, plus il faut de sauts.

Yamaguchi et co utilisent des nanotubes de seulement 200 nanomètres de long. Cela suggère que la [conductance thermique dans la direction de l'alignement des nanotubes] peut être encore plus grande avec des nanotubes de carbone constitutifs plus longs, disent-ils.

Fabriquer un matériau similaire à partir de nanotubes plus longs ne sera pas nécessairement simple. Le comportement d'auto-organisation qui crée les films alignés est plus difficile pour les nanotubes plus longs. Mais ce genre de défi en science des matériaux intéressera sûrement Yamaguchi and co et d'autres. Nul doute que les expériences sont déjà en cours, les thermiciens croisant les doigts.

Réf : arxiv.org/abs/1911.11340 : Transport thermique unidirectionnel dans des films de nanotubes de carbone à paroi unique densément alignés

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