Un nuovo materiale fa “sudare” i dispositivi elettronici per dissiparne il calore

I mammiferi, è noto, in caso di bisogno possono ridurre la propria temperatura corporea tramite la sudorazione, ovvero la dispersione di vapore acqueo attraverso l’epidermide.
È possibile applicare un procedimento analogo a beneficio dei dispositivi elettronici? Possiamo, in altre parole, far sudare i nostri smartphone?
Secondo un team di ricercatori dell’Università Jiao Tong di Shanghai, la risposta è affermativa.
Le apparecchiature elettroniche producono calore durante l’attività, calore che deve necessariamente essere dissipato per tutelare l’integrità dei componenti elettronici e anche l’utente (non vogliamo certo scottarci le mani mentre telefoniamo!).
Nei computer desktop (detti anche “da tavolo” o “da scrivania”) come anche nei portatili è quasi sempre utilizzato un sistema di raffreddamento attivo basato su ventole più o meno rumorose, ma sono evidenti le limitazioni che ne impediscono l’adozione su oggetti di dimensioni ridotte quali smartphone o tablet: oltre allo spazio fisico necessario e a una fastidiosa emissione acustica, le ventole sono caratterizzate da un notevole consumo di energia, come ogni dispositivo meccanico.
Esistono materiali detti PCM (Phase Change Materials), sia organici che inorganici (paraffine, acidi grassi, sali idrati) che riscaldandosi diventano liquidi, per poi tornare allo stato solido una volta raffreddati (dissipando il calore accumulato). Ma lo scambio di calore è relativamente basso, questi materiali trovano più proficua applicazione in altri ambiti come l’edilizia.
I ricercatori di Shanghai si sono quindi indirizzati verso un’altra categoria di elementi, i MOF (Metal–organic framework), dei reticoli metallici dotati di leganti organici, caratterizzati da un’elevatissima porosità (una simile struttura risulta vuota anche al 90%). Per la loro capacità di assorbire l’acqua dall’aria, se ne studia l’utilizzo in aree desertiche, ma si tratterebbe di applicazioni su larga scala quindi sorge il problema dei costi, ma qui parliamo di superfici ridottissime.
I ricercatori hanno alla fine optato per un MOF chiamato MIL-101(Cr) e hanno ricoperto tre sottili lamine di alluminio di 16 cm quadrati ciascuna con tre strati di differente spessore: 198, 313 e 516 micron (un micron equivale a un milionesimo di metro).
I risultati del test indicano che maggiore è lo spessore del MIL-101(Cr), più elevata risulta la capacità di dissipare il calore della lamina d’alluminio riscaldata: una lamina scoperta raggiunge 60°C in 5,2 minuti, quella a cui è stato sovrapposto lo strato dissipante più sottile impiega 11,7 minuti per raggiungere la stessa temperatura mentre usando lo strato più spesso il tempo diventa di 19,35 minuti. Dieci volte più efficace di un PCM.
I risultati sono molto interessanti per i dispositivi portatili poiché l’incremento di calore avviene, nell’utilizzo reale, solo in momenti specifici e per un tempo limitato, come l’esecuzione di un’app particolarmente “pesante” o durante una telefonata. Il MIL-101(Cr), come detto, cattura l’acqua direttamente dall’aria e lo rilascia in forma di vapore quando riscaldato, dopodiché ricattura nuove particelle una volta raffreddato.
Al momento restano due migliorie da apportare: se il riscaldamento si protrae per un tempo eccessivo, una volta esaurita tutta l’acqua il dissipatore “a secco” fungerebbe da isolante termico, l’opposto di quel che si vorrebbe; i ricercatori ritengono di poter risolvere questo problema migliorando la conduttività del MOF combinandolo con un altro materiale come il grafene. L’altro limite è ancora dovuto ai costi, nonostante la quantità estremamente ridotta richiesta nei microdispositivi, ma di certo si abbasseranno, se la richiesta dovesse aumentare e la produzione dovesse attuata su larga scala.

La ricerca, firmata da Chenxi Wang, Lingji Hua, Hongzhi Yan, Bangjun Li, Yaodong Tu e Ruzhu Wang, è apparsa su Joule il 22 gennaio 2020.

[Nell’immagine, la differenza nella dissipazione del calore con e senza copertura di MIL-101(Cr) Credit: Chenxi Wang]

Di Corrado Festa Bianchet

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