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Come possiamo progettare dispositivi elettronici che non si surriscaldino?

Un nuovo transistor termico potrebbe aiutare a condurre il calore lontano dai delicati componenti elettronici e anche isolarli contro il guasto di chip e circuiti. Hai già sentito il calore prima: lo smartphone che si scalda durante l'esecuzione di un'app di navigazione o il laptop che diventa troppo caldo per le tue ginocchia.

Il calore prodotto dai dispositivi elettronici fa più che infastidire gli utenti. I vuoti e le crepe indotti dal calore possono causare il guasto di chip e circuiti.

Una nuova tecnologia mira a proteggere l'elettronica dagli effetti dannosi del calore. | Illustrazione di Kevin Craft

Ora un team di ingegneri guidato da Stanford ha sviluppato un modo non solo per gestire il calore, ma aiuta a instradarlo lontano da dispositivi delicati. Scrivendo Comunicazioni sulla natura, i ricercatori descrivono un transistor termico, un interruttore su nanoscala in grado di condurre il calore lontano dai componenti elettronici e isolarli contro i suoi effetti dannosi.

“Lo sviluppo di un pratico transistor termico potrebbe cambiare le regole del gioco nel modo in cui progettiamo l'elettronica,", ha detto l'autore senior Kenneth Goodson, un professore di ingegneria meccanica.

I ricercatori hanno cercato di sviluppare interruttori di calore per anni. I precedenti transistor termici si sono rivelati troppo grandi, troppo lento e non abbastanza sensibile per un uso pratico. La sfida è stata trovare una tecnologia su scala nanometrica in grado di attivarsi e disattivarsi ripetutamente, hanno un ampio contrasto di commutazione caldo-freddo e nessuna parte mobile.

Aiutato da ingegnere elettrico Eric Pop e scienziato dei materiali Yi Cui, Il team di Goodson ha superato questi ostacoli iniziando con un sottile strato di bisolfuro di molibdeno, un cristallo semiconduttore costituito da strati stratificati di atomi. Appena 10 nanometri di spessore ed efficace a temperatura ambiente, questo materiale potrebbe essere integrato nell'elettronica di oggi, un fattore critico per rendere pratica la tecnologia.

Per trasformare questo semiconduttore termoconduttore in un interruttore a transistor, i ricercatori hanno immerso il materiale in un liquido con molti ioni di litio. Quando viene applicata una piccola corrente elettrica al sistema, gli atomi di litio iniziano a infondere negli strati del cristallo, modificarne le caratteristiche termoconduttive. All'aumentare della concentrazione di litio, il transistor termico si spegne. Collaborazione con il gruppo di Davide Donadio all'Università della California, Da giovane infermiera di oncologia, i ricercatori hanno scoperto che ciò accade perché gli ioni di litio allontanano gli atomi del cristallo. Questo rende più difficile il passaggio del calore.

Aditya Sood, uno studioso post-dottorato con Goodson e Pop e co-primo autore della carta, ha paragonato il transistor termico al termostato di un'auto. Quando l'auto è fredda, il termostato è spento, impedendo al liquido di raffreddamento di fluire, e il motore trattiene il calore. Quando il motore si scalda, il termostato si apre e il liquido di raffreddamento inizia a muoversi per mantenere il motore ad una temperatura ottimale. I ricercatori prevedono che i transistor termici collegati ai chip dei computer si accendano e si spengano per aiutare a limitare i danni causati dal calore nei dispositivi elettronici sensibili.

Oltre a consentire il controllo dinamico del calore, i risultati del team forniscono nuove informazioni su ciò che causa il guasto delle batterie agli ioni di litio. Poiché i materiali porosi in una batteria sono infusi di litio, ostacolano il flusso di calore e possono far salire le temperature. Pensare a questo processo è fondamentale per progettare batterie più sicure.

In un futuro più lontano i ricercatori immaginano che i transistor termici potrebbero essere disposti in circuiti per calcolare utilizzando la logica del calore, tanto quanto i transistor a semiconduttore calcolano utilizzando l'elettricità. Ma mentre è eccitato dal potenziale per controllare il calore su scala nanometrica, i ricercatori affermano che questa tecnologia è paragonabile a quella in cui esistevano i primi transistor elettronici 70 anni fa, quando anche gli inventori non potevano immaginare appieno ciò che avevano reso possibile.

"Per la prima volta, tuttavia, un pratico transistor termico su scala nanometrica è a portata di mano,Goodson dice.


fonte: engineering.stanford.edu, di Andrea Myers

Di Marie

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