Μια νέα επιστημονική ανακάλυψη υπόσχεται να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο αντιμετωπίζεται η υπερθέρμανση στα ηλεκτρονικά συστήματα. Ερευνητές από τα πανεπιστήμια Carnegie Mellon, Stanford και Purdue παρουσίασαν μια μέθοδο ενίσχυσης της μεταφοράς θερμότητας σε τσιπ μέσω ειδικά σχεδιασμένων μεταϋλικών. Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Nature και επικεντρώνεται στη διαχείριση της θερμότητας σε επίπεδο νανοκλίμακας. Το εύρημα αφορά άμεσα smartphones, υπολογιστές και κάθε συσκευή όπου τα microchips ζεσταίνονται κατά τη λειτουργία τους.
Πώς λειτουργεί η νέα μέθοδος μεταφοράς θερμότητας σε τσιπ
Όσο τα microchips γίνονται μικρότερα, ισχυρότερα και ταχύτερα, τόσο μεγαλύτερο πρόβλημα αποτελεί η θερμότητα που εγκλωβίζεται στο εσωτερικό τους. Μέχρι σήμερα η επιστημονική κοινότητα προσπαθούσε να διαχειριστεί τις συνέπειες του φαινομένου, χωρίς να παρεμβαίνει ουσιαστικά στην ίδια τη φυσική διαδικασία. Η ομάδα των ερευνητών έδειξε ότι η θερμότητα μπορεί να διαπεράσει ένα μικροσκοπικό κενό αέρος πολύ πιο αποτελεσματικά απ’ όσο προέβλεπε η συνήθης θερμική ακτινοβολία, χρησιμοποιώντας μεταϋλικά με προσεκτικά διαμορφωμένα μοτίβα.
Σε καθημερινές συνθήκες, τα αντικείμενα ανταλλάσσουν θερμότητα μέσω τριών βασικών μηχανισμών: της αγωγιμότητας, της μεταφοράς και της θερμικής ακτινοβολίας. Όταν όμως δύο επιφάνειες βρίσκονται εξαιρετικά κοντά, τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία της μίας μπορούν να αλληλεπιδράσουν απευθείας με την άλλη, επιτρέποντας ρυθμούς μεταφοράς θερμότητας που ξεπερνούν κατά πολύ όσα επιτρέπει η συμβατική ακτινοβολία μακρινού πεδίου. Το φαινόμενο αυτό μελετάται από τους επιστήμονες εδώ και χρόνια, όμως η νέα εργασία της ομάδας αποδεικνύει πειραματικά ότι οι τεχνητές δομές μπορούν να το ενισχύσουν ακόμη περισσότερο.
Η μελέτη εστιάζει στη μεταφορά θερμότητας μέσω ακτινοβολίας κοντινού πεδίου, ένα φαινόμενο που εμφανίζεται όταν δύο αντικείμενα απέχουν μεταξύ τους μόλις λίγα εκατοντάδες νανόμετρα. Σε αυτή την απόσταση, ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις που σε μεγαλύτερες αποστάσεις θα ήταν αμελητέες, κυριαρχούν στην ανταλλαγή θερμικής ενέργειας. Οι ερευνητές κατασκεύασαν μικροσκοπικές δομές χρυσού πάνω σε λεπτές μεμβράνες και τοποθέτησαν δύο τέτοιες επιφάνειες η μία απέναντι στην άλλη, αφήνοντας ανάμεσά τους ένα κενό νανοκλίμακας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ενίσχυση της ροής ενέργειας έως και τέσσερις φορές σε σχέση με τα συμβατικά υλικά.
Οι δηλώσεις του επιστημονικού υπεύθυνου της έρευνας
Επικεφαλής της μελέτης ήταν ο Sheng Shen, καθηγητής μηχανολογίας στο Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon. Σύμφωνα με τον ίδιο, η διαφορά των μεταϋλικών σε σχέση με τα συμβατικά υλικά βρίσκεται στον τρόπο κατασκευής τους. «Σε αντίθεση με τα συμβατικά υλικά, τα μεταϋλικά κατασκευάζονται με μικροσκοπικά, επαναλαμβανόμενα μοτίβα που αλληλεπιδρούν με την ενέργεια με τρόπους ακριβείας», δήλωσε ο ίδιος, εξηγώντας τη λογική πίσω από τον σχεδιασμό των δομών χρυσού που χρησιμοποίησε η ομάδα του.
Η σημασία της ανακάλυψης έγκειται στο γεγονός ότι η μεταφορά θερμότητας μπορεί πλέον να σχεδιαστεί εκ των προτέρων, αντί να αντιμετωπίζεται απλώς ως δεδομένο πρόβλημα μετά τη δημιουργία ενός τσιπ. Η πειραματική απόδειξη ότι τα μεταϋλικά ενισχύουν τη ροή ενέργειας σε νανοκλίμακα ανοίγει εφαρμογές σε κάθε είδους ηλεκτρονική συσκευή που αντιμετωπίζει πρόβλημα υπερθέρμανσης, από τα smartphones μέχρι τους υπολογιστές με ανεμιστήρες που λειτουργούν στο μέγιστο των δυνατοτήτων τους. Η ερευνητική ομάδα των τριών πανεπιστημίων θεωρεί ότι η πειραματική τους απόδειξη αλλάζει τον τρόπο που η επιστήμη αντιμετωπίζει τη θερμική διαχείριση σε μικροσκοπική κλίμακα.
