Non solo carbonio: il grafene bianco per controllare il flusso di calore

Due ricercatori della Rice University hanno individuato la possibilità di usare strutture tridimensionali di nitruro di boro per controllare il flusso di calore a livello microscopico. Nella sua forma bidimensionale il nitruro di boro esagonale assomiglia ad un foglio di atomi di carbonio, il grafene, ed è per questo conosciuto anche con il nome di grafene bianco. La differenza fondamentale è che il nitruro di boro è un isolante, mentre il grafene puro è un conduttore.

Il nitruro di boro esagonale è però un buon conduttore del calore, come il grafene. I ricercatori della Rice hanno pertanto ritenuto opportuno indagare più a fondo le capacità del nitruro di boro nel controllo del flusso di calore. L'indagine è stata condotta da Rouzbeh Shahsavari e Navid Sakhavand.

Shahsavari ha dichiarato: "In tutti i dispositivi elettronici è piuttosto desiderabile portare il calore fuori dal sistema nella maniera più efficiente e veloce possibile. Uno dei rovesci della medaglia, specialmente quando si ha a che fare con materiali organizzati a diversi livelli e su un substrato, è che il calore si muove velocemente in una direzione lungo un piano conduttivo, ma non così bene tra i vari livelli. Molteplici strati di grafene sono un buon esempio di tutto ciò".

Le simulazioni dei ricerctori Rice hanno mostrato che il calore oltre a muoversi attraverso i piani di nitruro di boro è in grado di muoversi in tutte le direzioni in una struttura tridimensionale costituita da fogli di grafene bianco collegati tra loro da nanotubi di nitruro di boro. Esprimendo il calore in fononi (cioè in quanti di vibrazione in un reticolo cristallino rigido), essi si muovono nel nitruro di boro tridimensionale in tutte le direzioni, non solo lungo un piano ma anche attraverso vari piani.

I ricercatori hanno calcolato in che modo i fononi viaggiano realizzando quattro diverse strutture con nanotubi di varia lunghezza e densità. Le indagini hanno dimostrato che le giunzioni tra i nanotubi e i piani rallentano il flusso di fononi da strato a strato e che la velocità dei movimento dei fononi dipende dalla lunghezza dei nanotubi di nitruro di boro: più sono corti, maggiormente rallentano il flusso di calore.

"Questo sistema di gestione termica tridimensionale può aprire una serie di opportunità per gli interruttori e i raddrizzatori termici, dove il calore che fluisce in una direzione può essere differente da quello che fluisce nella direzione opposta. E' possibile ottenere tutto ciò cambiando la forma del materiale o la sua massa per creare un interruttore. Il calore si sposterebbe sempre lungo una strada preferenziale e nella direzione opposta fluirebbe più lentamente" spiega Shahsavari.

I ricercatori vedono inoltre la possibilità di sfruttare il connubio tra grafene e grafene bianco e le rispettive proprietà conduttive e isolanti: "Date le proprietà isolanti del nitruro di boro, si può abilitare e completare la creazione di dispositivi nanoelettronici tridimensionali basati sul grafene" ha concluso Shahsavari.