Nye nanostrukturer kunne gøre smartphones mere effektive

EU-finansierede forskere og partnere skubber grænserne for fysikkens love, udvikling af nanokompositmaterialer og nanoelektroniske kredsløb for i høj grad at forbedre energi, termisk og computende ydeevne. Dette kan gøre smartphones og anden elektronik mere effektiv og øge potentialet for solenergi.

I dagens verden, nanomaterialer spiller en afgørende rolle i fremkomsten af ​​intelligente enheder og sensorer, smarte hjem, autonome enheder, robotik, bioteknologi og medicin.

Men kredsløb er blevet så miniaturede og hurtige, at de ikke længere kan styre den varme, der genereres under behandlingen af ​​oplysninger.

"Standardmetoderne til at bryde dette dødvande, f.eks. ved enten at generere mindre varme eller fjerne den mere effektivt, undlader at holde trit, "siger Mimoun El Marssi fra Université de Picardie Jules Verne i Frankrig.

El Marssi er koordinator for det EU-finansierede ENGIMA-projekt, som løser netop dette problem. Det fokuserer på, hvordan man omfordeler elektricitet effektivt i minimale skalaer, udnytte nanoteknologi -gennembrud, der åbner nye muligheder og applikationer, som man troede var umulige indtil for bare få år siden.

Gør det umulige muligt

En stor udfordring for ENGIMA-forskere står over for det såkaldte Boltzmann-tyranni-problem inden for nanoelektronik.

Det vedrører et af de mest grundlæggende begreber inden for elektricitet:kapacitans, en mængde, der viser, hvor meget ladning der skal placeres på en leder for at sikre en given spænding. Standarddefinitionsbogen definerer, at kapacitans altid er positiv. Derfor, jo større spænding, jo større den lagrede ladning, og, på tur, jo mere varme genereres af en enhed.

I en banebrydende udvikling, ENGIMA -forskere i Frankrig og Rusland, der i samarbejde med Valerii Vinokur fra det amerikanske energiministeriums Argonne National Laboratory udviklede en permanent statisk "negativ kondensator, "En enhed troede umulig indtil for omkring et årti siden.

Tidligere foreslåede designs til negative kondensatorer arbejdede på en midlertidig, forbigående, men den ENGIMA-udviklede negative kondensator er den første, der fungerer som en steady-state reversibel enhed.

Den foreslåede fremgangsmåde udnytter egenskaber ved ferroelektriske materialer, som besidder spontan polarisering, der kan vendes af et eksternt elektrisk felt. Forøgelse af ladningen på den positive kondensator øger spændingen. Det omvendte sker med den negative kondensator - dens spænding falder, når ladningen stiger.

Ved at parre de to kondensatorer, spændingen i den positive kondensator kan lokalt øges til et punkt, der er højere end den samlede systemspænding. Dette gør det muligt at distribuere elektricitet til områder i kredsløbet, der kræver højere spænding, mens hele kredsløbet fungerer ved en lavere spænding.

Dette gennembrud vil hjælpe med at reducere koblingsenergi og driftsspænding for elektroniske enheder, reducerer dermed varmetab, bemærker Igor Lukyanchuk, ENGIMAs ledende forsker.

"Negativ kapacitans er en af ​​de vigtigste nylige udviklinger med hensyn til at reducere energiforbruget til nanokredsløb og løse overophedningsproblemer, der begrænser ydeevnen for konventionelle computerkredsløb, "siger han." Baseret på denne forskning, vi udvikler en praktisk platform til implementering af ultra-low-power-enheder til databehandling. "

Mod smarte enheder uden batteri

I praksis, dette ville betyde din smartphone, Internet of Things -enheder og mange andre elektroniske systemer bliver langt mere energieffektive. I kombination med andet arbejde, der udføres som en del af ENGIMA, det kan radikalt ændre vores oplevelse af energibesparelse, forbrug og opbevaring.

Bygger på de seneste fremskridt inden for fotovoltaisk teknologi og tyndfilmsmaterialer til konvertering af solenergi, ENGIMA-forskerhold i Frankrig og Mexico udvikler nye multifunktionelle nanostrukturer med supergitter finjusteret til optimeret ferroelektrisk, strukturelle og fotovoltaiske reaktioner. Arbejdet lover en effektiv måde at designe nye nanostrukturer til fremtidige fotovoltaiske materialer.

"Disse solcelleanlæg kan blive næste generations grønne energikilder som sikre, pålidelig, miljøvenlige udskiftninger af batterier i selvdrevne smarte systemer, "Siger El Marssi.

I mellemtiden, ENGIMA -forskere i Slovenien, ledet af Zdravko Kutnjak ved Jožef Stefan Institute, undersøger andre måder at overvinde "Boltzmann -tyranni." De udnytter den såkaldte elektrokaloriske effekt, der får materialer til at vise en reversibel temperaturændring under et påført elektrisk felt. Teamet demonstrerede for første gang, at flydende krystaller kan udnyttes som elektrokaloriske materialer med store temperaturændringer.

Udviklingen på dette område har tiltrukket stor interesse fra forsknings- og industrisamfund, da det foreslår en effektiv in-chip integration af kølere i nanoelektroniske computerkredsløb, ifølge Kutnjak.

"Vi forventer, at køletemperaturen i prototyper af flydende krystal -enheder vil blive væsentligt forbedret i forhold til solid state -systemer, "tilføjer han." Desuden flydende krystal materiale kan bruges i enhver form, og sådanne enheder vil ikke blive påvirket af træthedsproblemer forårsaget af revner i materialer. "

Resultaterne fra ENGIMA lover at åbne betydelige nye muligheder og muligheder for højteknologiske industrier, især med hensyn til aktuelle energiforbrug og høstproblemer, med applikationer på mange områder.

"Fra dette synspunkt, ENGIMA kan forbedre EU-borgeres livskvalitet og sundhed på lang sigt. For eksempel, ved at bidrage til udviklingen af ​​forskellige smarte systemer, "El Marssi siger." Det er også påtænkt, at ENGIMA vil bidrage til at udfylde hullet i forskningsaktivitet i anvendelsen af ​​multifunktionelle nanomaterialer til computing og energiforbrugende teknologier mellem Europa og andre lande. "