Nel calore del byte: il design potrebbe frenare il surriscaldamento, aumentando le prestazioni dell’elettronica soft | Nebraska oggi Leave a comment

Per alcuni, la semplice menzione del metallo liquido potrebbe evocare visioni di T-1000: il cattivo mutaforma e quasi invincibile che accende il fuoco sul futuro salvatore dell’umanità in “Terminator 2”.

Ma per Eric Markvicka e colleghi dell’Università del Nebraska-Lincoln, le goccioline di questo materiale stanno emergendo come protagoniste nella ricerca per dissipare il calore – e prevenire il surriscaldamento – nella tecnologia indossabile, nella robotica morbida e in altre applicazioni microelettroniche.

“Con l’aumento della potenza di calcolo, la dissipazione termica diventa un fattore sempre più importante”, ha affermato Markvicka, assistente professore di ingegneria meccanica e dei materiali.

Non aiuta? Il fatto che molti dispositivi indossabili e altre tecnologie intelligenti incorporino materiali malleabili ed elastici che riducono il peso e aumentano il comfort, ma intrappolano anche il calore. Per risolvere il problema, Markvicka e altri ingegneri hanno provato a caricare i materiali isolanti con goccioline di metallo liquido che conducono naturalmente il calore e di conseguenza possono portarlo via dalla microelettronica che lo genera.

L’approccio ha funzionato, fino a un certo punto. Eppure a quel punto è arrivata una realizzazione che fa riflettere: sebbene le goccioline di metallo liquido migliorino la conduttività termica, la loro densità – e il numero necessario per migliorare davvero quella conduttività – possono anche aggiungere una quantità di peso poco pratica.

Quel tiro alla fune tra conduttività termica e densità aveva lasciato gli ingegneri a un punto morto. Ma in un nuovo studio, il team di Markvicka ha dimostrato che l’incorporamento di un materiale siliconico con goccioline a base di gallio e, soprattutto, l’inclusione di tali goccioline con sfere microscopiche di vetro cavo, può per lo più mantenere la spinta nella dissipazione del calore senza sacrificare la flessibilità leggera del materiale.

“È ancora morbido e gommoso, ma ha una conduttività termica che si avvicina a quella di alcuni metalli rigidi, come il titanio o l’acciaio inossidabile, con circa la metà della densità di quei metalli”, ha detto Markvicka. “Questa combinazione di proprietà rende il materiale unico e interessante.”

Durante la sperimentazione con le microsfere di vetro, i ricercatori hanno testato versioni del silicone le cui goccioline di metallo liquido ospitavano volumi variabili del vetro cavo, dallo 0% al 50%. L’aumento del volume del 50% ha portato a una diminuzione del 35% della densità complessiva del materiale e di appena il 14% della conduttività termica, quest’ultima parte già da una linea di base superiore rispetto al silicone privo di metallo liquido.

Questo risultato, di per sé, è stato sufficiente per far festeggiare gli ingegneri. Markvicka, il consigliere di dottorato Ethan Krings e i loro colleghi, però, non hanno finito. Con l’aiuto del precedente lavoro di modellazione, il team del Nebraska ha quindi sviluppato quella che Markvicka ha descritto come una “mappa dei contorni” per guidare la futura sartoria di materiali morbidi che si basano sull’approccio delle bambole russe a nido d’ape del team.

Nello sviluppo della mappa, il team stava formalizzando ciò che i suoi esperimenti stavano rivelando: che un’attenta progettazione può liberare le proprietà normalmente intrecciate di un polimero, garantendo un controllo senza rivali sulle prestazioni del materiale.

Un asse della mappa rappresenta il volume delle goccioline di metallo liquido in un materiale; l’altro asse quantifica il volume delle microsfere di vetro nelle goccioline. La sola modifica del volume delle microsfere di vetro, mostrava la mappa, può alterare la densità del materiale lasciando quasi completamente invariata la conduttività termica. Modificando i rapporti sia del vetro che del metallo liquido, nel frattempo, è possibile modificare la conduttività termica senza influire sulla densità.

“Quindi siamo stati in grado di dimostrare che ora possiamo controllare in modo indipendente la conduttività termica e la densità in questi compositi, cosa che non è mai stata mostrata prima”, ha affermato Markvicka, il cui team ha dettagliato la sua prova di concetto sulla rivista Small.

I ricercatori hanno ulteriormente dimostrato che il controllo fabbricando diverse versioni in silicone del Nebraska N dell’università. Ogni versione aveva una densità diversa, come evidenziato dal fatto che il più denso affondava sul fondo di un cilindro pieno di liquido, il meno denso galleggiava al in alto, e una versione moderatamente densa galleggiava tra i due. Nonostante la loro diversa densità, il calore di N dissipava all’incirca alla stessa velocità quando l’elettricità veniva condotta attraverso un elemento riscaldante impiantato in ciascuno.

Markvicka vede una miriade di modi in cui un materiale morbido ma termicamente conduttivo potrebbe avvantaggiare la tecnologia emergente. Per cominciare, ha detto, potrebbe aiutare ad alleviare i limiti sulla potenza di calcolo della microelettronica che sono schiacciati nella tecnologia indossabile, spianando il percorso a dispositivi più veloci con più funzionalità.

Gli ingegneri della tecnologia digitale su larga scala, inclusi computer e console di gioco, potrebbero anche trovarlo utile quando creano i cosiddetti materiali di interfaccia che trasportano notevoli quantità di calore, ad esempio, dai processori ai refrigeranti liquidi. La console PlayStation 5, ad esempio, utilizza già il metallo liquido proprio per questo scopo.

Oltre a ciò si trovano le ovvie applicazioni negli indumenti termoregolatori, ha detto Markvicka, che possono monitorare la temperatura della pelle di chi li indossa, quindi fornire o rimuovere il calore di conseguenza.

“Molte delle grandi aziende di utensili hanno queste giacche e attrezzi riscaldati per aiutare i lavoratori a stare al caldo in ambienti freddi”, ha affermato. “Questo materiale potrebbe funzionare come un diffusore di calore passivo per ottenere un riscaldamento più uniforme in tutta una giacca ed eliminare i punti caldi, senza limitare il movimento di chi lo indossa.

“Qualsiasi cosa con cui il corpo umano interagisce, potrebbero esserci applicazioni per questo materiale”.

Markvicka e Krings sono gli autori dello studio con Sangjin Ryu del Nebraska, Jeffrey Shield, Haipeng Zhang e Suchit Sarin. Il team ha ricevuto supporto in parte da NASA e l’iniziativa di ricerca del Nebraska.