Addio Surriscaldamento! Il Materiale Rivoluzionario per la Ricarica Wireless (e non solo) del Futuro

Ragazzi, parliamoci chiaro: chi non si è mai scottato le dita con uno smartphone surriscaldato dopo una lunga sessione di gioco o una chiamata infinita? E che dire dei nostri laptop che sembrano pronti a decollare quando li mettiamo sotto sforzo? Il calore è il nemico numero uno dell’elettronica moderna. Con l’avanzare impetuoso di tecnologie come la ricarica wireless (WCS), il 5G, le auto elettriche (EV) e l’intelligenza artificiale (AI) – pensate a bestioni come ChatGPT – i nostri dispositivi diventano sempre più potenti, ma producono anche una quantità di calore impressionante.

Questo calore non è solo fastidioso, ma è dannoso: riduce le prestazioni, accelera l’invecchiamento dei componenti e può persino creare rischi per la sicurezza. Serve una soluzione, e serve in fretta! C’è un bisogno disperato di materiali migliori per la gestione termica, capaci di dissipare questo calore in modo efficiente.

La Sfida dei Materiali Attuali

Certo, usiamo già compositi a base polimerica (plastiche, per intenderci) per gestire il calore. Sono versatili, economici e facili da produrre in massa. Ma c’è un grosso “ma”: i polimeri, di per sé, sono pessimi conduttori di calore. È come cercare di svuotare una piscina con un cucchiaino! Per migliorare la situazione, di solito si “farciscono” questi polimeri con materiali che conducono bene il calore, come grafene, fibre di carbonio o nanotubi.

Tra questi “super-conduttori”, uno spicca per le sue proprietà uniche: il Nitruro di Boro esagonale (h-BN). Immaginatelo come un cugino del grafene, ma con dei superpoteri aggiuntivi. Ha una conducibilità termica teorica altissima (parliamo di valori tra 200 e 2000 W/(mK) – pazzesco!) e, a differenza del grafene e del carbonio, è un eccellente isolante elettrico. Questa combinazione è oro colato per applicazioni come la ricarica wireless, dove non vogliamo assolutamente cortocircuiti!

Il problema? Non basta mescolare h-BN e polimero. L’h-BN si presenta sotto forma di foglietti microscopici. Per far passare bene il calore *attraverso* il materiale (quella che chiamiamo conducibilità “through-plane”, fondamentale per dissipare calore da un chip verso un dissipatore), questi foglietti devono essere allineati in modo ordinato, come tante piccole autostrade per il calore. Finora, ottenere un allineamento efficace, specialmente in verticale, e raggiungere conducibilità elevate (sopra i 40 W/(mK)) con una quantità ragionevole di h-BN (attorno all’80% in volume) è stata una vera impresa. Spesso si usano foglietti di h-BN troppo piccoli (sotto i 40 µm) e le tecniche per allinearli (come quella basata sul ghiaccio, “ice-templating”) sono complesse e poco adatte alla produzione di massa.

La Nostra Soluzione: Semplice ed Efficace!

Ed è qui che entriamo in gioco noi! Abbiamo pensato: “Deve esserci un modo più semplice e intelligente”. E l’abbiamo trovato! Abbiamo sviluppato un processo in due fasi, relativamente semplice, per creare compositi BN/TPU (Nitruro di Boro / Poliuretano Termoplastico) con prestazioni da urlo.

Ecco come funziona:

1. Blade Coating (Spalmatura a Lama): Per prima cosa, sciogliamo il TPU (un polimero flessibile e resistente) in un solvente (DMF) e poi ci mescoliamo dentro una bella quantità di polvere di h-BN, scegliendo però delle “scaglie” di h-BN con dimensioni laterali grandi (in media 43 µm) e alta cristallinità. Questa “zuppa” viene poi spalmata in uno strato sottilissimo (50-70 µm) usando una tecnica chiamata “blade coating”. Immaginate una spatola che stende uniformemente il composto: la forza di taglio applicata dalla lama aiuta già ad allineare un po’ i foglietti di h-BN lungo la direzione di spalmatura. Facciamo evaporare il solvente e otteniamo un film sottile e flessibile.
2. Lamination (Laminazione): Prendiamo questi film sottili, li tagliamo in pezzi quadrati e li impiliamo uno sull’altro, ma attenzione: li impiliamo verticalmente rispetto alla direzione in cui li avevamo spalmati. Poi, applichiamo una bella pressione (pressatura a freddo, 25 MPa). Questo passaggio è cruciale: schiaccia insieme gli strati, riempie i vuoti, e costringe i foglietti di h-BN ad allinearsi ancora meglio, questa volta in direzione verticale (through-plane), creando percorsi preferenziali per il calore proprio dove servono! Infine, tagliamo questo blocco compatto “contro-vena” per ottenere il nostro pad termico finale, spesso circa 1 mm.

Abbiamo usato una tecnica chiamata “wet lamination” (laminazione umida), sfruttando il solvente residuo nei film per far “incollare” meglio gli strati tra loro, eliminando la necessità di adesivi aggiuntivi e riducendo la resistenza termica tra uno strato e l’altro.

Risultati da Record e Proprietà Multifunzionali

E i risultati? Semplicemente spettacolari! Con un contenuto di h-BN del 67% in volume (circa l’80% in peso), abbiamo raggiunto una conducibilità termica “through-plane” di 43 W/(mK)! Un valore altissimo, che supera molti dei risultati pubblicati finora, specialmente considerando la relativa semplicità del metodo.

Ma non è tutto! Il nostro composito BN/TPU non è solo un campione di conducibilità termica. Mantiene le fantastiche proprietà dell’h-BN:

• Isolamento Elettrico Perfetto: Ha una rigidità dielettrica altissima (75 kV/mm) e una resistività volumetrica enorme (5 × 10^10 GΩ•cm). Sicurezza prima di tutto!
• Trasparenza alle Onde Millimetriche: A differenza di altri materiali, non blocca i segnali ad alta frequenza. Questo lo rende ideale non solo per la ricarica wireless, ma anche per le tecnologie 5G, dove la minima perdita di segnale è critica.
• Stabilità Termica e Robustezza: Il materiale resiste bene alle alte temperature (fino a 145°C mantenendo ottima conducibilità) e agli sbalzi termici, garantendo affidabilità nel tempo.
• Flessibilità: Nonostante l’alto contenuto di h-BN, il materiale rimane abbastanza flessibile da poter essere maneggiato e adattato a diverse forme.

Perché funziona così bene? L’uso di foglietti di h-BN più grandi e il nostro processo di allineamento riducono drasticamente il numero di “interfacce” (punti di contatto tra i foglietti o tra foglietto e polimero) lungo il percorso del calore. Ogni interfaccia è un ostacolo per i fononi (le “particelle” che trasportano il calore nei solidi). Meno ostacoli, meno scattering (dispersioni), e il calore fluisce via liscio come l’olio! Abbiamo confermato questo meccanismo anche con simulazioni al computer (FEA e Monte Carlo).

Applicazioni Pratiche: Dalla Ricarica Wireless al 5G

Bello sulla carta, ma funziona nel mondo reale? Assolutamente sì! Abbiamo costruito un piccolo setup per simulare un sistema di ricarica wireless da 100W. Abbiamo applicato il nostro pad termico BN/TPU sul circuito integrato (IC) della scheda ricevente. Risultato? La temperatura del chip è scesa di ben 20°C rispetto alla stessa scheda senza il nostro materiale! Abbiamo anche testato la sua affidabilità con 180 cicli di riscaldamento e raffreddamento, senza alcun problema.

E per il 5G? Abbiamo misurato la perdita di segnale a 24.6 GHz facendo passare le onde attraverso il nostro materiale, confrontandolo con polietilene (PE) e carta grafitata. Il nostro composito ha mostrato una perdita di segnale minima, confermando la sua eccellente trasparenza alle onde millimetriche.

Confrontando le proprietà del nostro materiale con alcuni prodotti commerciali isolanti e termoconduttivi, il nostro composito BN/TPU mostra un pacchetto complessivo di prestazioni davvero notevole.

Il Futuro è (Più) Fresco!

Insomma, abbiamo sviluppato un composito multifunzionale che non solo offre una conducibilità termica verticale eccezionale, ma è anche un ottimo isolante elettrico e trasparente alle onde millimetriche. Il processo di produzione è semplice, potenzialmente economico e scalabile per la produzione di massa. Questo apre le porte a una gestione termica più efficiente in una miriade di dispositivi elettronici, dalla prossima generazione di sistemi di ricarica wireless ultra-rapida alle infrastrutture 5G, fino alle auto elettriche e ai potenti sistemi di intelligenza artificiale. E chissà, magari un giorno potremo dire addio per sempre ai dispositivi che scottano!

Fonte: Springer