Lämmönhallintaa nanoelektroniikalle

Universtity of Colorado Boulderissa fyysikkojen tiimi on ratkaissut mysteerisen hämmentävän lämpöilmiön nanomittojen alueella.

"Ne käyttäytyivät hyvin järjenvastaisesti", kertoo tutkijatohtori Joshua Knobloch. ”Nämä nanomittakaavan lämmönlähteet eivät yleensä haihduta lämpöä tehokkaasti. Mutta jos pakkaat ne lähelle toisiaan, ne jäähtyvät paljon nopeammin.”

Tämä ilmiö havaittiin jo vuonna 2015 ja nyt tutkijat tietävät, miksi näin tapahtuu.

Uudessa tutkimuksessa he käyttivät tietokonepohjaisia simulaatioita seuratakseen lämmön kulkua nanokokoisista tankomaisista rakenteistaan. He havaitsivat, että kun he asettivat lämmönlähteet lähelle toisiaan, niiden tuottamat energiavärähtelyt alkoivat pomppia toisistaan, sirottaen lämpöä pois ja jäähdyttäen tankoja.

Kun pyritään tuottamaan yhä pienempiä elektroniikkalaitteita, on kiinnitettävä enemmän huomiota fononeihin eli atomien värähtelyihin, jotka kuljettavat lämpöä kiinteissä aineissa.

"Lämpövirtaukseen liittyy hyvin monimutkaisia prosesseja, joten sitä on vaikea hallita", Knobloch sanoo. "Mutta jos ymmärtäisimme, miten fononit käyttäytyvät pienessä mittakaavassa, voimme räätälöidä niiden siirtoa, jolloin voimme rakentaa tehokkaampia laitteita."

"Atomimittakaavassa lämmönsiirron luonne tulee esiin uudessa valossa", sanoo aihetta teoreettisesti tutkinut professori Mahmoud Hussein.

Tutkijat loivat uudelleen aiemman kokeilunsa mutta tällä kertaa kokonaan tietokoneella. Simulaatiot olivat niin yksityiskohtaisia, että tiimi pystyi seuraamaan mallin jokaisen atomin käyttäytymistä alusta loppuun. Samalla he pistivät yliopistonsa Summit Supercomputerin muistin rajoilleen.

Työ kannatti. Tutkijat havaitsivat esimerkiksi, että kun he sijoittivat piipalkkinsa riittävän kauas toisistaan, lämpö pyrki karkaamaan pois näistä materiaaleista ennustettavalla tavalla.

Mutta kun palkit pantiin lähemmäs toisiaan, tapahtui kuitenkin jotain muuta. Kun näiden lähteiden lämpö hajaantui, se pakotti energian virtaamaan voimakkaammin yhteen suuntaan pois lähteistä. Tiimi nimitti tämän ilmiön "suuntaavaksi lämmön kanavoimiseksi.

Tutkijat arvioivat, että insinöörit voisivat jonain päivänä hyödyntää tätä epätavallista käyttäytymistä saadakseen paremman käsityksen siitä, miten lämpö virtaa erittäin pienessä elektroniikassa - ohjaamalla energia haluttua polkua pitkin sen sijaan, että antaisi sen kulkea vapaasti.

Aiheesta aiemmin:

Pinta-aallot nanorakenteita viilentämään

Lämmönsiirtoa tyhjyyden läpi

Voiko lämpöä hallita aaltoina?