È stato uno di quegli incidenti felici della scienza. Randall Erb professore della Northeastern University e lo studente di dottorato Jason Bice stavano lavorando a un prodotto per un cliente dell’università, si sono ritrovati in mano una classe di materiale completamente nuovo.
La loro scoperta di una ceramica integrale che può essere modellata a compressione in parti complesse – un’innovazione nel settore – pubblicata nella rivista Advanced Materials, potrebbe trasformare la progettazione e la costruzione di componenti elettronici che emettono calore, tra cui telefoni cellulari e altri componenti radio.
Randall Erb professore associato di ingegneria meccanica e industriale, dirige il Laboratorio Daps della Northeastern University ha detto: «La vita del nostro gruppo di ricerca si colloca molto all’avanguardia della tecnologia».
Randall Erb lo scorso luglio, era nel suo laboratorio della Northeastern University insieme a Jason Bice (nel frattempo ha conseguito un dottorato in ingegneria meccanica), stavano testando un composto ceramico sperimentale nell’ambito di un progetto ipersonico per un partner industriale, quando qualcosa sembrò andare storto.
Randall Erb ha detto:
«Il campione del composto ceramico sperimentale l’abbiamo sabbiato con una fiamma ossidrica e, mentre lo stavamo caricando, si è inaspettatamente deformato ed è caduto dal dispositivo. L’abbiamo guardato sul pavimento pensando che si fosse danneggiato nell’urto, un esame più attento ha portato a una rivelazione, ci siamo resi conto che era perfettamente intatto, aveva solo una forma diversa».
Le ceramiche tendono a rompersi (o addirittura a esplodere) a causa dello shock termico quando sono sottoposte a variazioni di calore estreme e a carichi meccanici, ma il loro campione si è deformato con grazia.
Randall Erb ha detto:
«Abbiamo fatto qualche altro tentativo e ci siamo resi conto che potevamo controllare la deformazione, poi abbiamo iniziato a modellare il materiale a compressione e abbiamo scoperto che il processo era molto veloce».
La microstruttura sottostante permette alla ceramica integrale di trasmettere rapidamente il calore e di fluire efficacemente durante il processo di stampaggio. La ceramica può essere modellata in squisite geometrie e presenta un’impressionante resistenza meccanica e conduttività termica a temperatura ambiente.
Randall Erb e Jason Bice stanno sviluppando il prodotto attraverso la loro startup, Fourier LLC (prende il nome dal matematico francese Joseph Fourier, due secoli fa studiò il flusso di calore nella ceramica). Fourier LLC ha ricevuto un premio di 50.000 dollari dallo Spark Fund del Northeastern’s Center for Research Innovation.
Jason Bice ha detto:
«La ceramica termoformabile è unica nel suo genere, da quello che abbiamo visto e letto, non esiste davvero, quindi è una nuova frontiera dei materiali».
Il nuovo prodotto ha il potenziale per introdurre due miglioramenti nel settore, a partire dalla sua efficienza come conduttore di calore in grado di raffreddare l’elettronica ad alta densità.
I telefoni cellulari e altri dispositivi elettronici in genere sono dotati di un ingombrante strato di alluminio, necessario per allontanare il calore dall’unità.
Jason Bice ha detto:
«Il nostro materiale può avere uno spessore inferiore al millimetro, rappresenta una soluzione a basso profilo, può essere modellato per adattarsi alla superficie che si sta cercando di raffreddare».
La ceramica a base di cristalli fononici permette al calore di fluire senza trasporto di elettroni, non interferisce con le radiofrequenze (RF) dei telefoni cellulari e di altri sistemi.
Randall Erb ha affermato:
«Se si inserisce un dissipatore di alluminio in un componente RF, si introduce una serie di antenne che interagiscono con il segnale RF, invece, possiamo inserire il nostro materiale a base di nitruro di boro all’interno e intorno a un componente RF, rendendolo sostanzialmente invisibile al segnale RF. L’altro miglioramento è che può essere adattato direttamente al componente elettrico».
Echo St. Germain, studente al quinto anno di ingegneria meccanica alla Northeastern University, lavora come ricercatore di ceramica e ingegnere di ricerca e sviluppo alla Fourier LLC, ha dimostrato il comportamento non newtoniano del fluido della ceramica: sottoponendo un impasto grumoso alle vibrazioni normali del processo di produzione, si è immediatamente liquefatto e ha organizzato la struttura del materiale. Tali impasti sono utilizzati per produrre ceramiche modellabili.
Il comportamento non newtoniano del fluido della ceramica citato nell’articolo, è riferito a Sir Isaac Newton, famoso per aver sviluppato molte teorie scientifiche in matematica e fisica. Isaac Newton ha descritto come si comportano i liquidi o fluidi “normali”, ha osservato che hanno una viscosità (flusso) costante. Ciò significa che il loro comportamento di flusso o viscosità cambia solo al variare della temperatura o della pressione. L’acqua ad esempio, si congela e si trasforma in un solido a 0° C e si trasforma in un gas a 100° C, all’interno di questo intervallo di temperatura, l’acqua si comporta come un liquido “normale” con viscosità costante.
Tipicamente, i liquidi assumono la forma del contenitore in cui vengono versati. Chiamiamo questi “liquidi normali” fluidi newtoniani ma alcuni fluidi non seguono questa regola. Chiamiamo questi “liquidi strani” fluidi non newtoniani.
Randall Erb e Jason Bice ritengono che saranno in grado di adattare i materiali interamente ceramici a tutti i tipi di componenti elettrici. La ceramica sarà più sottile, più leggera e più efficiente dei metalli attualmente in uso.
