Tranzistorul termic, soluţia proiectării unor dispozitive electronice care nu se supraîncălzesc

Fără îndoială ați simțit căldura degajată de un smartphone sau de un laptop atunci când acestea se încălzesc în timpul rulării anumitor aplicații.

Se ştie că supraîncălzirea dispozitivelor electronice deranjează utilizatorii şi provoacă defectarea cipurilor și circuitelor electronice. Din acest motiv, cercetătorii caută soluţii eficiente de disipare a căldurii degajate de componentele electronice pentru a prelungi durata de viaţă a acestora.

Recent, o echipă de ingineri condusă de Stanford University a dezvoltat o nouă modalitate prin care căldura degajată de componentele electronice poate fi menţinută sub control şi îndepărtată, în mod eficient, din apropierea componentelor delicate.

Cercetătorii au descris în Nature Communications tranzistorul termic, un comutator la scară nanometrică, care poate îndepărta căldura degajată de componentele electronice, izolându-le practic împotriva efectelor nocive ale acesteia.

„Dezvoltarea unui tranzistor termic practic şi eficient ar putea schimba modul cum proiectăm dispozitivele electronice”, a declarat Kenneth Goodson, unul dintre autorii studiului de faţă şi profesor de inginerie mecanică.

Credit: Stanford University

Cercetătorii au încercat să dezvolte comutatoare de căldură, dar tranzistoarele termice realizate anterior s-au dovedit prea mari, prea lente și insuficient de sensibile pentru o utilizare practică.

Provocarea cercetătorilor a constat în găsirea unei tehnologii, la scară nanometrică, cu ajutorul căreia fluxul de căldură să poată fi controlat în mod repetat, care să funcţioneze în condiţiile unei diferenţe de temperatură cât mai mare între cald şi rece şi care să nu impună piese mobile.

Împreună cu Eric Pop, inginer electrician și Yi Cui, cercetător în domeniul științei materialelor, echipa lui Goodson a reuşit să depăşească toate aceste obstacole cu ajutorul unui strat subțire de bisulfură de molibden (MoS2), un cristal semiconductor format din foi stratificate de atomi (material bidimensional).

Având o grosime de doar 10 nanometri şi o eficienţă sporită la temperatura camerei, acest material ar putea fi integrat în electronica actuală, o condiţie esenţială pentru ca această tehnologie să devină practică.

Pentru a transforma acest semiconductor termoconductor într-un comutator de tip tranzistor, cercetătorii au introdus materialul într-un lichid conţinând un număr mare de ioni de litiu.

Atunci când se aplică un curent electric, atomii de litiu se infiltrează în straturile din cristalul semiconductor modificând conductivitatea termică a acestuia. Pe măsură ce concentrația de litiu se măreşte, tranzistorul termic se oprește.

Împreună cu Davide Donadio și colegii acestuia de la University of California, Davis, cercetătorii au descoperit că acest lucru se întâmplă deoarece ionii de litiu împing în afară atomii cristalului şi astfel transferul căldurii este îngreunat.

În opinia lui Aditya Sood, coautor al studiului, tranzistorul termic poate fi asemănat cu termostatul dintr-un automobil. Atunci când mașina este rece, termostatul este oprit, împiedicând curgerea lichidului de răcire, iar motorul păstrează căldura. Pe măsură ce motorul se încălzește, termostatul se deschide și lichidul de răcire începe să se miște pentru a menține motorul la o temperatură optimă.

Cercetătorii îşi imaginează tranzistoare termice conectate la cipurile de computer care se activează și dezactivează pentru a limita posibilele daune termice ce pot afecta dispozitivele electronice sensibile.

Rezultatele cercetătorilor furnizează o soluţie practică de control dinamic a căldurii şi oferă noi informații privind cauza unor probleme provocate de bateriile cu ioni de litiu. Se stie că aceste baterii prezintă riscul de aprindere în conditii de supraincălzire.

Deoarece materialele poroase dintr-o baterie electrică se infuzează cu litiu, transmiterea fluxului de căldură este blocată și astfel temperatura bateriei creşte. Proiectarea unor baterii electrice mai sigure trebuie să ţină cont de această constatare.

Pentru un viitor mai îndepărtat, cercetătorii își imaginează circuite formate din tranzistoare termice care pot efectua calcule folosind logica căldurii, la fel cum tranzistoarele semiconductoare din prezent efectuează calcule folosind electricitatea.

Deși sunt încântați de ideea de a controla căldura la scară nanometrică, cercetătorii afirmă că această tehnologie este comparabilă cu cea a primelor tranzistoare electronice din urmă cu aproximativ 70 de ani, atunci când inventatorii acestora nu şi-au imaginat ceea ce au făcut posibil.

„Cu toate acestea, pentru prima dată, realizarea unui tranzistor termic la o scară nanometrică este acum la îndemâna noastră”, a declarat Goodson.

Sursă: Phys.org