Някой ден в обозримо бъдеще лаптопите няма да парят на коленете ни
(снимка: CC0 Public Domain)
Физици от Университета на Колорадо в Боулдър разгадаха тайната на мистериозен нано-феномен: защо някои ултра-малки източници на топлина се охлаждат по-бързо, когато са опаковани по-близо един до друг. Откритието може да помогне на технологичната индустрия да разработи по-бързи електронни устройства, които не страдат от прегряване. И накрая, лаптопът няма да ви изгори коленете!
Прехвърлянето на топлина не е лесна задача в дизайна на електрониката. Жалко е да се проектира и създаде устройство, след което да установим, че то се загрява по-бързо, отколкото бихме искали.
Още през 2015 г. изследователи от JILA, ръководени от физиците Маргарет Моруйн и Хенри Капитан, експериментираха със силициеви пръти, многократно по-малки от човешки косъм. При нагряване с лазер, се случва нещо странно. Телата, които не разсейват топлината ефективно, започват да се охлаждат много по-бързо, когато се поставят близо едно до друго.
Изследователите са използвали компютърни симулации, за да проследят преминаването на топлината през наноразмерните пръти. Те открили, че източниците на топлина, разположени близо един до друг, създават енергийни вибрации, които отскачат една от друга, разсейвайки топлината и охлаждайки прътите. Според принципите на термодинамиката, трябва да е точно обратното: колкото по-малко е разстоянието между нагрeтите тела, толкова по-лошо е тяхното охлаждане.
Дори незначителни дефекти в дизайна на микросхемите могат да доведат до повишаване на температурата, ускорявайки износването на устройството. Тъй като технологичните компании се стремят да произвеждат все по-миниатюрна електроника, те ще трябва да обърнат повече внимание на фононите – вибрациите на атомите, които пренасят топлината в твърди тела.
Изследователите от Боулдър са пресъздали експеримент, проведен няколко години по-рано на компютър. Резултатите от експеримента са публикувани в сп. Proceedings of the National Academy of Sciences. Моделирането е толкова подробно, че екипът успява да проследи поведението на всеки атом от началото до края.
Така учените откриват, че силиконовите пръти, които са били достатъчно отдалечени, са склонни да се охлаждат по предсказуем начин. Енергията прониква от прътите в материала под тях, разсейвайки се във всички посоки. Но когато прътите са преместени по-близо, се случва нещо странно.
Нека го обясним по аналогия. Представете си тълпа от хора на стадиона, която накрая излиза в една посока. Фононите се „натискат” по приблизително същия начин, образувайки насочен термичен канал.
Изследователите подозират, че един ден инженерите биха могли да се възползват от това необичайно поведение, за да разберат по-добре как топлината протича в малката електроника – насочвайки тази енергия по желания път, вместо да я оставят да се движи лудо и свободно.