Hvordan kan vi designe elektroniske enheder, der ikke overophedes?

Du har før mærket varmen - den smartphone, der varmer, mens du kører en navigationsapp eller den bærbare computer, der bliver for varm til dit skød.

Varmen, der produceres af elektroniske enheder, generer mere end brugerne. Varmeinducerede hulrum og revner kan forårsage, at chips og kredsløb fejler.

Nu har et Stanford-ledet ingeniørteam udviklet en måde at ikke kun styre varme, men hjælp med at føre det væk fra sarte enheder. Skriver ind Naturkommunikation , forskerne beskriver en termisk transistor - en switch i nanoskala, der kan lede varme væk fra elektroniske komponenter og isolere dem mod dens skadelige virkninger.

"At udvikle en praktisk termisk transistor kan være en spilskifter i, hvordan vi designer elektronik, "sagde seniorforfatter Kenneth Goodson, professor i maskinteknik.

Forskere har forsøgt at udvikle varmekontakter i årevis. Tidligere termiske transistorer viste sig at være for store, for langsom og ikke følsom nok til praktisk brug. Udfordringen har været at finde en nanoskala -teknologi, der kunne tænde og slukke gentagne gange, har en stor hot-to-cool switch-kontrast og ingen bevægelige dele.

Støttet af elektroingeniør Eric Pop og materialeforsker Yi Cui, Goodsons team overvandt disse forhindringer ved at starte med et tyndt lag molybdendisulfid, en halvledende krystal, der består af lagdelte atomer. Blot 10 nanometer tyk og effektiv ved stuetemperatur, dette materiale kunne integreres i nutidens elektronik, en kritisk faktor for at gøre teknologien praktisk.

For at gøre denne varmeledende halvleder til en transistorlignende switch, forskerne badede materialet i en væske med masser af lithiumioner. Når der tilføres en lille elektrisk strøm til systemet, lithiumatomerne begynder at trænge ind i lagene af krystallen, ændrer dets varmeledende egenskaber. Når litiumkoncentrationen stiger, den termiske transistor slukker. Arbejder med Davide Donadios gruppe ved University of California, Davis, forskerne opdagede, at dette sker, fordi litiumionerne skubber atomerne i krystallen fra hinanden. Dette gør det sværere for varmen at komme igennem.

Aditya Sood, en postdoktor med Goodson og Pop og co-første forfatter på papiret, lignede den termiske transistor med termostaten i en bil. Når bilen er kold, termostaten er slukket, forhindrer kølevæske i at strømme, og motoren bevarer varmen. Når motoren varmes op, termostaten åbner og kølevæske begynder at bevæge sig for at holde motoren på en optimal temperatur. Forskerne forestiller sig, at termiske transistorer forbundet til computerchips ville tænde og slukke for at hjælpe med at begrænse varmeskaden i følsomme elektroniske enheder.

Udover at muliggøre dynamisk varmekontrol, teamets resultater giver ny indsigt i, hvad der får lithium -ion -batterier til at mislykkes. Da de porøse materialer i et batteri er fyldt med lithium, de hindrer varmestrømmen og kan få temperaturer til at skyde op. At tænke over denne proces er afgørende for at designe sikrere batterier.

I en mere fjern fremtid forestiller forskerne sig, at termiske transistorer kunne arrangeres i kredsløb til beregning ved hjælp af varmelogik, meget som halvledertransistorer beregner ved hjælp af elektricitet. Men mens jeg er begejstret for potentialet til at styre varmen på nanoskalaen, forskerne siger, at denne teknologi kan sammenlignes med, hvor de første elektroniske transistorer var for omkring 70 år siden, når selv opfinderne ikke helt kunne forestille sig, hvad de havde gjort muligt.

"For første gang, imidlertid, en praktisk nanoskala termisk transistor er inden for rækkevidde, "Siger Goodson.