Сконструированный "песок" может помочь охлаждать электронные устройства и светодиоды

Сконструированный «песок» может помочь охлаждать электронные устройства и светодиоды

 

Джорджия Тех Ресёрч сообщает, что Баратунде Кола, доцент Школы машиностроения им. Джорджа У. Вудраффа в Технологическом институте Джорджии, хотел бы поместить песок в ваш компьютер и в другие электронные устройства. Не пляжный песок, а наночастицы диоксида кремния, покрытые высоким диэлектрическим постоянным полимером, которые позволяют обеспечить дешевое охлаждение все более энергоемких электронных устройств.


12.jpg



Диоксид кремния сам по себе не охлаждает. Вместо этого тепло поглощает поверхность наночастиц с покрытием, с потенциально более высокой эффективностью, чем существующие конструкции систем охлаждения. Теоретическая физика, лежащая в основе этого явления, сложна, поскольку электромагнитные эффекты создаются на поверхности крошечных наночастиц диоксида кремния, действующих вместе.

В итоге, это может быть потенциально новым классом материалов с высокой теплопроводностью, пригодных для рассеивания тепла от силовой электроники, светодиодов и других устройств с высокими тепловыми потоками.

«Мы впервые показали, что вы можете взять подготовленную подложку из наночастиц, выступающую, обычно,  в качестве изолятора, и затем, путем облучения  светом  создать поверхность  с высокой диэлектрической постоянной, такую, например,  как на поверхности воды или этиленгликоля, в результате превращая подложку из наночастиц в теплопроводник », - сообщает автор технологии. «Используя коллективный поверхностный электромагнитный эффект наночастиц, теплопроводность может увеличиться в 20 раз, что позволит рассеивать тепло».

Теоретические изыскания и проведенные опыты были опубликованыв июльском выпуске журнала «Materials Horizons» и была освещена в выпуске журнала Science за 8 июля. Работа была поддержана Исследовательской лабораторией ВВС и ВВС США. Соавторы включают профессора Джеймса Хэммонда в Университете Говарда и аспирантов Эрика Терво из Georgia Tech и Olalekan Adewuyi из Университета Говарда.

В течение последних нескольких лет теоретические работы предсказывали способность поверхностных фононных поляритонов увеличивать теплопроводность в наноматериалах из полярных материалов, таких как диоксид кремния. Поляритоны представляют собой квантовые квазичастицы, создаваемые сильной связью электромагнитных волн с электрическим или магнитным диполем-переносным возбуждением. В конкретном случае поверхностных фононных поляритонов электромагнитные волны связаны с определенной частотой и поляризацией вибрирующих атомов в материале, известном как оптические фононы. Когда материалы уменьшаются до размеров менее 100 нанометров, поверхностные свойства материала доминируют над объемными свойствами, позволяя фононам тепла течь от частицы к частице в плотно упакованном слое с помощью связанных электромагнитных волн.

Хотя исследователи не могли предварительно измерить тепловой поток от поверхностных фононных поляритонов из-за экспериментальных трудностей, они наблюдали распространение их волн, когда свет попадает на поверхность материала наноструктуры, что указывает на потенциальную роль в рассеивании тепла. В дополнение к первому измерению теплового потока, автор и его сотрудники также обнаружили, что эффект может произойти, когда тепловая энергия добавляется к подложке из наночастиц.

«То, что мы также показываем в первый раз, - это то, что когда у вас есть наночастицы требуемого типа в подложке, вам не нужно их облучать», - пояснил он. «Вы можете просто нагреть наночастицы, а тепловое самоизлучение активирует эффект. Вы создаете электрическое поле вокруг наночастиц из этого теплового излучения ».

Исследователи решили экспериментировать с этими специальными свойствами, сначала используя воду для покрытия наночастиц и превращения слоя наночастиц диоксида кремния в проводник. Но покрытие с применением воды не было надежным, поэтому исследователи переключились на этиленгликоль, жидкость, обычно используемую в антифризе. Новая комбинация увеличила теплоотдачу в 20 раз до примерно 1 ватт на метр-кельвин, что выше, чем объем тепла который наночастицы этиленгликоля или двуокиси кремния могут производить сами по себе и сравнимо с дорогостоящими полимерными композитами, используемыми для рассеивания тепла.

«По идее, Вы могли бы взять электронное устройство, заполнить этими наночастицами с покрытием из этиленгликоля  все свободное пространство, и получили бы возможность отводить тепло без  риска возникновения замыкания», - сказал автор. «Материал имеет потенциал  очень дешевого  и простого  в работе».

Диоксид кремния был выбран потому, что его кристаллическая решетка может генерировать резонансные оптические фононы - необходимые для эффекта - при приблизительно комнатной температуре. Могут также использоваться и другие материалы, но наночастицы диоксида кремния обеспечивают хороший компромисс свойств и стоимости.

«Резонансная частота, при которой появляется тепловое излучение для диоксида кремния, составляет около 50 градусов по Цельсию», - говорит исследователь. «С помощью этого материала мы можем использовать этот эффект в температурном диапазоне, который наиболее распространен для микроэлектронных устройств».

Хотя этиленгликоль хорошо работает, он в конечном итоге испарится. По этой причине Cola планирует идентифицировать полимерные материалы, которые могут адсорбироваться на наночастицах диоксида кремния, чтобы обеспечить более стабильное покрытие с разумным сроком службы продукта.

«Мы в основном демонстрируем макроскопический перевод наномасштабного эффекта», - говорит исследователь.   К тому же подложка из наночастиц это элемент, собранный из огромного числа отдельных элементов, которые имеют свою собственную поверхность, способную взаимодействовать с электромагнитным полем – светом и теплом

До сих пор эффект был продемонстрирован в небольших количествах наночастиц диоксида кремния. Еще одним шагом было бы расширить исследование, чтобы продемонстрировать, что тепло может переноситься на большие расстояния в больших объемах материала,

«Скорость, с которой тепловая энергия идет с одной стороны частицы на другую сторону частицы, постоянна во всем слое наночастиц, поэтому не должно иметь значения, насколько толще слой наночастиц», - пояснил он. «Когда эти частицы достаточно близки друг к другу, режим их работы связан, что позволяет транспортировать энергию».

«Дальнейшие испытания потребуются для обеспечения долгосрочной эффективности и подтверждения того, что нет влияния на надежность электронных устройств, охлажденных с помощью этой технологии»,