Un nuevo material de nanotubos conduce el calor en una sola dirección

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El objetivo de estas medidas consiste en canalizar el calor lo más lejos posible de los componentes sensibles y que se disperse en el medio ambiente. Pero a medida que los dispositivos se hacen más pequeños, el desafío es mayor, ya que los transistores mode os, por ejemplo, se miden en nanómetros.

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Los conductores más rentables son los metales como el cobre, pero el calor los atraviesa de forma igualen todas las direcciones. Eso significa que el calor puede extenderse a cualquier otro componente que también esté en contacto térmico con el metal.

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Un conductor más efectivo debería canalizar el calor en una dirección pero no en la perpendicular. En este caso, el calor se movería a lo largo del dicho material pero no a través de él. Este tipo de conductor asimétrico facilitaría y mucho la vida de los ingenieros térmicos. Pero resulta difícil crearlo.

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Por eso el investigador de la Universidad de Tokio (Japón) Shingi Yamaguchi y algunos de sus colegas han creado un material a partir de nanotubos de carbono cuidadosamente alineados que conducen el calor de esta manera. Este nuevo descubrimiento tiene el potencial de revolucionar la forma en la que los ingenieros térmicos diseñan y construyen los sistemas de enfriamiento para ordenadores y otros dispositivos.

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Primero unos antecedentes. Los científicos de materiales saben muy bien que los nanotubos de carbono son unos conductores excepcionales. Estos pequeños tubos tienen la conductividad térmica superior a 1.000 W m ^-1 K ^-1. En comparación, el cobre tiene una conductividad  térmica de aproximadamente 400 W m ^-1 K ^-1.

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El problema surge cuando intentan crear un material masivo con nanotubos. Para hacerlo, colocan los tubos sobre un sustrato plástico, formando una capa. Pero los nanotubos tienden a estar mal alineados o dispuestos aleatoriamente. El resultado es que no están en buen contacto térmico entre sí, lo reduce la conductividad del material masivo. "Es esencial eliminar estas deficiencias estructurales para utilizar la alta conductividad térmica de los nanotubos de carbono individuales en los conjuntos de nanotubos de carbono alineados", explica Yamaguchi.

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La solución del equipo es simple. Los investigadores han creado un material en el que los nanotubos de carbono están alineados con precisión y, por lo tanto, están en buen contacto térmico de un extremo a otro. Ha sido posible gracias a una técnica conocida como filtración controlada al vacío. En 2012, los físicos descubrieron que, en ciertas circunstancias, los nanotubos de carbono flotantes pueden formar una estructura auto-organizada en la que todos se alinean como en un cristal.

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Los nanotubos se mezclan primero en un líquido que contiene un tensoactivo que reduce su tensión superficial. Siempre que la concentración de nanotubos esté por debajo de un nivel crítico, empiezan a auto-organizarse en la superficie del líquido y se alinean densamente.

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Luego, el líquido se elimina con succión lenta y cuidadosa a través de un filtro mediante el vacío, dejando atrás los nanotubos. El resultado es una fina lámina de nanotubos muy bien alineados con algunas propiedades extraordinarias.

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Yamaguchi y sus compañeros aseguran que el nuevo material conduce el calor en la dirección de la alineación de los nanotubos con una conductividad térmica de 43 W m ^-1 K ^-1. En cambio, la conductividad en la dirección perpendicular es tres órdenes de magnitud menor a 0,085 W m ^-1 K ^-1, aproximadamente igual que la fibra de vidrio. En otras palabras, el material es 500 veces mejor para conducir el calor en una dirección que en la otra, la mayor asimetría jamás observada para este tipo de materiales.

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El motivo es sencillo. Cuando los nanotubos están en contacto térmico de un extremo a otro, el calor viaja fácilmente de uno a otro. Pero los tubos no están en buen contacto térmico longitudinialmente, ya que la huella de contacto es pequeña para los tubos que se encuentran uno al lado del otro.

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Yamaguchi y su equipo señalan también las limitaciones de su nuevo material. Aunque tiene propiedades muy asimétricas, su máxima conductividad térmica es de solo 43 W m ^-1 K ^-1, casi lo mismo que una soldadura de estaño-plomo.

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Sin embargo, creen saber por qué esta cifra es tan baja cuando se compara con la de los nanotubos de carbono individuales. En su opinión, aunque los nanotubos están en contacto térmico de un extremo a otro, este contacto no es perfecto. Cada salto que el calor tiene que hacer de un nanotubo al siguiente reduce la conductividad térmica. Y cuanto más cortos son los tubos, más saltos se requieren.

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Yamaguchi y su equipo han usado nanotubos de solo 200 nanómetros de largo. "Esto sugiere que la [conductividad térmica en la dirección de la alineación de los nanotubos] podría ser aún mayor con nanotubos de carbono más largos", afirman.

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Crear un material similar con nanotubos más largos no será tan sencillo. El comportamiento de auto-organización que crea las películas alineadas es más difícil para los nanotubos más largos. Pero este tipo de desafío de la ciencia de materiales seguramente interese mucho a Yamaguchi, a su equipo y a otros. No cabe duda de que los experimentos ya están en marcha y los ingenieros térmicos cruzando los dedos.

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Ref: arxiv.org/abs/1911.11340: One-directional thermal transport in densely aligned single-wall carbon nanotube films

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