I progressi nel campo dei circuiti integrati si misurano abbinando, superando, o restare indietro rispetto al tasso stabilito da Gordon Moore, ex CEO e co-fondatore di Intel, che ha detto il numero di componenti elettronici, o transistor, per circuito integrato raddoppierebbe ogni anno. Questo è stato più di 50 anni fa, e sorprendentemente la sua previsione, ora chiamata legge di Moore, avverato.

Negli ultimi anni, si pensava che il ritmo fosse rallentato; una delle maggiori sfide nel mettere più circuiti e potenza su un chip più piccolo è la gestione del calore.

Un gruppo multidisciplinare che include Patrick E. Hopkins, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale dell'Università della Virginia, e Will Dichtel, un professore nel Dipartimento di Chimica della Northwestern University, sta inventando una nuova classe di materiale con il potenziale per mantenere i trucioli freschi mentre continuano a ridursi di dimensioni e per aiutare la legge di Moore a rimanere vera. Il loro lavoro è stato recentemente pubblicato su Materiali della natura .

I materiali di isolamento elettrico che riducono al minimo la diafonia elettrica nei chip sono chiamati dielettrici "low-k". Questo tipo di materiale è l'eroe silenzioso che rende possibile tutta l'elettronica guidando la corrente per eliminare l'erosione del segnale e le interferenze; idealmente, può anche allontanare dai circuiti il ​​calore dannoso causato dalla corrente elettrica. Il problema del calore diventa esponenziale man mano che il chip diventa più piccolo perché non solo ci sono più transistor in una determinata area, che fa più calore in quella stessa zona, sono più vicini, che rende più difficile la dissipazione del calore.

"Gli scienziati sono alla ricerca di un materiale dielettrico a basso contenuto di k in grado di gestire il trasferimento di calore e i problemi di spazio inerenti a scale molto più piccole, " Hopkins ha detto. "Anche se abbiamo fatto molta strada, nuove scoperte non accadranno se non uniamo le discipline. Per questo progetto abbiamo utilizzato la ricerca e i principi di diversi campi:ingegneria meccanica, chimica, scienza dei materiali, ingegneria elettrica, per risolvere un problema davvero difficile che nessuno di noi potrebbe risolvere da solo."

Hopkins è uno dei leader dell'iniziativa di integrazione dei materiali multifunzionali di UVA Engineering, che riunisce ricercatori provenienti da più discipline ingegneristiche per formulare materiali con un'ampia gamma di funzionalità.

"Vedere il 'mio' problema attraverso l'obiettivo di qualcun altro in un campo diverso non è stato solo affascinante, ha anche suscitato idee che alla fine hanno portato al progresso. Penso che tutti abbiamo avuto quell'esperienza, " disse Ashutosh Giri, un ex scienziato senior di UVA Engineering e Ph.D. studente nel laboratorio di Hopkins, il co-primo autore sul Materiali della natura carta e un meccanico, assistente professore di ingegneria industriale e dei sistemi presso la Rhode Island University.

"Il cuore del progetto è stato quando il team chimico ha realizzato la funzionalità termica del loro materiale, comprendere una nuova dimensione del proprio lavoro, e quando il team di meccanica e materiali ha compreso il livello di ingegneria molecolare possibile con la chimica, " ha detto Giri.

"Stiamo prendendo fogli di polimero spessi solo un atomo - lo chiamiamo 2-D - e controllando le loro proprietà stratificando i fogli in un'architettura specifica, " Disse Dichtel.

"I nostri sforzi per migliorare i metodi per produrre film polimerici 2-D di alta qualità hanno permesso questo lavoro collaborativo".

Il team sta applicando questa nuova classe di materiali per cercare di soddisfare i requisiti della miniaturizzazione dei transistor su un chip denso, Dichtel ha detto.

"Questo ha un enorme potenziale per l'uso nell'industria dei semiconduttori, l'industria che produce chip. Il materiale ha sia una bassa conducibilità elettrica, o 'basso-k, ' e un'elevata capacità di trasferimento del calore, " Egli ha detto.

Questa combinazione di proprietà è stata recentemente identificata dall'International Roadmap for Semiconductors come prerequisito per i circuiti integrati di nuova generazione.

"Per questo progetto, ci stiamo concentrando sulle proprietà termiche di questa nuova classe di materiali, che è fantastico, ma ancora più eccitante è che stiamo solo grattando la superficie, " ha detto Austin Evans, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Dichtel alla Northwestern e primo coautore del Materiali della natura carta. "Lo sviluppo di nuove classi di materiali con combinazioni uniche di proprietà ha un incredibile potenziale tecnologico.

"Stiamo già esplorando questa nuova classe di materiali per molte applicazioni, ad esempio, rilevamento chimico. Possiamo usare questi materiali per determinare - "senso" - quali sostanze chimiche e quanta di queste sostanze chimiche sono nell'aria. Ciò ha implicazioni di vasta portata. Ad esempio, conoscendo le sostanze chimiche nell'aria, possiamo ottimizzare la conservazione degli alimenti, trasporto, e distribuzione per ridurre lo spreco alimentare globale. Mentre continuiamo ad esplorare, è probabile che troveremo ancora più tratti unici per questi nuovi materiali, " ha detto Evans.