I ricercatori dell'Università di Shanghai Jiao hanno sviluppato un rivestimento per i dispositivi elettronici che rilascia vapore acqueo per dissipare il calore dei dispositivi in funzione.
Il crescente bisogno di telefoni cellulari e altri apparecchi elettronici portatili ha spronato i ricercatori dell'università Jiao Tong di Shanghai (Cina) a ideare un'efficace soluzione di gestione termica passiva.
Per raggiungere l'obiettivo, il prof. Ruzhu Wang, il quale ha studiato ingegneria della refrigerazione all'università di Jiao Tong di Shanghai, e il suo team si sono ispirati alla natura, in cui i mammiferi possono regolare la loro temperatura corporea tramite la sudorazione. Attratti da questo meccanismo, hanno studiato un gruppo di materiali porosi in grado di assorbire l'umidità dell'aria e rilasciare vapore acqueo una volta riscaldati. Tra questi, le strutture metallorganiche (MOFs) sono risultate come le più promettenti in quanto potevano immagazzinare una grande quantità di acqua e togliendo così una maggior quantità di calore quando riscaldate.
"Lo sviluppo della microelettronica pone tante domande alle tecniche di gestione termica efficiente perché tutti i componenti sono imballati strettamente e i chip possono diventare molto caldi", afferma Ruzhu Wang. "Per esempio, senza un efficace sistema di raffreddamento, i nostri telefoni potrebbero avere un guasto del sistema e bruciare le nostre mani se utilizzati per molto tempo o con l'installazione di un'applicazione pesante."
"Precedentemente, i ricercatori hanno provato a utilizzare le strutture metallorganiche per estrarre l'acqua dall'aria del deserto" aggiunge Wong. "Ma le strutture metallorganiche sono ancora molto costose, perciò l'applicazione su larga scala non è molto conveniente. Il nostro studio dimostra che il raffreddamento dei dispositivi elettronici è una buona applicazione delle strutture metallorganiche nella vita reale. Abbiamo utilizzato meno di 0,3 grammi di materiale in questo esperimento e l'effetto di raffreddamento prodotto è stato significativo."
Per l'esperimento il team ha selezionato un tipo di strutture metallorganiche chiamate MIL-101(Cr) grazie alle loro buone capacità di assorbimento dell'acqua e l'alta sensibilità ai cambiamenti di temperatura. Hanno rivestito 3 fogli di alluminio di 16 cm2 di diverso spessore con MIL-101(Cr)- 198, 313, e 516 micron, rispettivamente - e scaldati su una piastra calda. I risultati dimostrano che il rivestimento MIL-101Cr è riuscito a rimandare l'innalzamento della temperatura dei fogli, e l'effetto è aumentato con la crescita dello spessore del rivestimento. Mentre un foglio non rivestito raggiungeva 60°C dopo 5'2'', il rivestimento più sottile raddoppiava il tempo e raggiungeva quella temperatura dopo 11'7''. La lamiera con il rivestimento più spesso ha raggiunto 60°C dopo 19'35'' di riscaldamento.
"Oltre all'efficace raffreddamento, MIL-101(Cr) può riprendersi rapidamente assorbendo nuovamente l'umidità una volta che la fonte di calore è stata rimossa, proprio come i mammiferi che si reidratano per poi sudare nuovamente," afferma Wang. "Quindi questo metodo è davvero utile per i dispositivi che non sono utilizzati quotidianamente, come telefoni, carica batterie e stazioni base di telecomunicazioni, che a volte possono essere sovraccaricati."
Per studiare l'effetto del rivestimento MIL-101(Cr) sui dispositivi reali, Wang e il suo team hanno testato un dissipatore di calore rivestito su un dispositivo di microinformatica. Rispetto a un dissipatore di calore non rivestito, quello rivestito ha ridotto la temperatura del chip di 7 °C quando è stato sottoposto a carichi di lavoro pesanti per 15 minuti.
Il team punta a migliorare la conduttività termica del materiale. "Una volta che tutta l'acqua è stata rimossa, il rivestimento essiccato diventerà una resistenza che influenzerà la dissipazione del calore dei dispositivi", spiega Chenxi Wang. "Incorporare additivi e conduttori termici come il grafene nel materiale, può contribuire ad affrontare il problema".
"Trovando un'applicazione pratica per le strutture metallorganiche, speriamo di far aumentare la domanda di mercato e incoraggiare il sostenimento di ulteriori ricerche su di esse per ridurne i costi", aggiunge Ruzhu Wang.
Lo studio è stato pubblicato il 22 Gennaio 2020 sul giornale Joule e è stato supportato dalla fondazione per i gruppi di ricerca innovativi Fondazione Nazionale di Scienze Naturali della Cina.