Як нанотехнології допоможуть уникнути перегріву електроніки

Команда фізиків з Університету штату Колорадо в Боулдері розкрила загадку загадкового нано-явища: чому деякі надмалі джерела тепла охолоджуються швидше, якщо їх упакувати ближче один до одного.

Ця розробка може одного разу допомогти технічній індустрії розробити більш швидкі електронні пристрої, які не страждають від перегріву. Нарешті ноутбук не буде спалювати коліна!

Перенесення тепла - непросте завдання при розробці електроніки. Прикро створити пристрій і виявити, що він нагрівається швидше, ніж хотілося б. Ще в 2015 році дослідники з JILA під керівництвом фізиків Маргарет Мурнейн і Генрі Каптейна експериментували з кремнієвими брусками завтовшки у багато разів менше людського волосся. Коли їх нагріли лазером, сталося щось дивне. Тіла, які не розсіювали тепло ефективно, почали остигати набагато швидше, коли їх поклали впритул.

Дослідники використовували комп'ютерне моделювання, щоб відстежити проходження тепла від нанорозмірних стрижнів. Вони виявили, що джерела тепла, поміщені близько один до одного, створюють коливання енергії, які відбиваються один від одного, розсіюючи тепло і охолоджуючи стрижні. Згідно з принципами термодинаміки, має бути рівно навпаки: чим менше відстань між нагрітими тілами - тим гірше їх охолодження.

Навіть незначні дефекти в конструкції мікросхем, можуть призвести до підвищення температури, збільшуючи знос пристрою. Оскільки технологічні компанії прагнуть виробляти все меншу і меншу електроніку, їм доведеться приділяти більше уваги фононам - коливанням атомів, що переносять тепло в твердих тілах.

Дослідники відтворили на комп'ютері експеримент, проведений кількома роками раніше. Моделювання було настільки докладним, що команда змогла простежити поведінку кожного атома в моделі від початку до кінця.

Вони виявили, що кремнієві стрижні, розташовані досить далеко один від одного, як правило, остигали передбачуваним чином. Енергія просочувалася з прутів у матеріал під ними, розсіюючись у всіх напрямках. Але коли прути присунули ближче один до одного, сталося дивне. Пояснимо на аналогії.

Уявіть натовп людей на стадіоні, які зрештою виходять в одному напрямку. Приблизно так само «штовхалися» фонони, формуючи спрямований тепловий канал.

Дослідники підозрюють, що одного разу інженери зможуть скористатися цією незвичайною поведінкою, щоб краще зрозуміти, як тече тепло в невеликій електроніці - направляючи цю енергію по бажаному шляху, замість того, щоб дозволяти їй бігати шалено і вільно.

Результати опубліковані в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.