Con grafene, I ricercatori di Rutgers hanno scoperto un modo potente per raffreddare minuscoli chip, componenti chiave di dispositivi elettronici con miliardi di transistor ciascuno.

"Puoi adattare il grafene, un molto sottile, materiale bidimensionale miniaturizzato, per raffreddare un punto caldo che crea problemi di riscaldamento nel chip, ha detto Eva Y. Andrei, Professore del Consiglio Direttivo di Fisica presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia. "Questa soluzione non ha parti mobili ed è abbastanza efficiente per il raffreddamento."

Il restringimento dei componenti elettronici e l'eccessivo calore generato dalla loro crescente potenza ha aumentato la necessità di soluzioni di raffreddamento del chip, secondo uno studio condotto da Rutgers pubblicato di recente in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Usando il grafene combinato con un substrato di cristalli di nitruro di boro, i ricercatori hanno dimostrato un meccanismo di raffreddamento più potente ed efficiente.

"Abbiamo ottenuto un fattore di potenza circa due volte superiore rispetto ai precedenti refrigeratori termoelettrici, " disse Andrea, che lavora nella Scuola delle Arti e delle Scienze.

Il fattore di potenza si riferisce all'efficacia del raffreddamento attivo. Ecco quando una corrente elettrica porta via il calore, come mostrato in questo studio, mentre il raffreddamento passivo è quando il calore si diffonde naturalmente.

Il grafene ha importanti vantaggi. È uno strato di grafite dello spessore di un atomo, che è la roba traballante all'interno di una matita. I fiocchi più sottili, grafene, sono costituiti da atomi di carbonio disposti in un reticolo a nido d'ape che assomiglia a un filo di pollo, ha detto Andrea. Conduce l'elettricità meglio del rame, è 100 volte più resistente dell'acciaio e diffonde rapidamente il calore.

Il grafene è posto su dispositivi in ​​nitruro di boro, che è estremamente piatto e liscio come una pista di pattinaggio, lei disse. Il biossido di silicio, la base tradizionale dei chip, ostacola le prestazioni perché disperde gli elettroni che possono portare via il calore.

In un minuscolo chip per computer o smartphone, miliardi di transistor generano molto calore, e questo è un grosso problema, ha detto Andrea. Le alte temperature ostacolano le prestazioni dei transistor, dispositivi elettronici che controllano il flusso di potenza e possono amplificare i segnali, quindi necessitano di raffreddamento.

I metodi attuali includono piccoli ventilatori nei computer, ma i ventilatori stanno diventando meno efficienti e si rompono, lei disse. L'acqua viene utilizzata anche per il raffreddamento, ma quel metodo ingombrante è complicato e soggetto a perdite che possono friggere i computer.

"In un frigorifero, hai la compressione che fa il raffreddamento e fai circolare un liquido, " ha detto Andrei. "Ma questo comporta parti mobili e un metodo di raffreddamento senza parti in movimento si chiama raffreddamento termoelettrico".

Pensa al raffreddamento termoelettrico in termini di acqua in una vasca da bagno. Se la vasca ha l'acqua calda e accendi l'acqua fredda, ci vuole molto tempo perché l'acqua fredda sotto il rubinetto si diffonda nella vasca. Questo è un raffreddamento passivo perché le molecole si diffondono lentamente nell'acqua del bagno e si diluiscono, ha detto Andrea. Ma se usi le mani per spingere l'acqua dall'estremità fredda a quella calda, il processo di raffreddamento, noto anche come convezione o raffreddamento attivo, sarà molto più rapido.

Lo stesso processo avviene nei chip di computer e smartphone, lei disse. Puoi collegare un pezzo di filo, come il rame, a un chip caldo e il calore viene portato via passivamente, proprio come in una vasca da bagno.

Ora immagina un pezzo di metallo con estremità calde e fredde. Gli atomi e gli elettroni del metallo sfrecciano attorno all'estremità calda e sono pigri all'estremità fredda, ha detto Andrea. Il suo gruppo di ricerca, in effetti, tensione applicata al metallo, inviando una corrente dall'estremità calda all'estremità fredda. Simile al caso del raffreddamento attivo nell'esempio della vasca da bagno, la corrente stimolava gli elettroni a portare via il calore in modo molto più efficiente rispetto al raffreddamento passivo. Il grafene è in realtà superiore sia nella sua capacità di raffreddamento passivo che attivo. La combinazione dei due rende il grafene un eccellente dispositivo di raffreddamento.

"L'industria elettronica si sta muovendo verso questo tipo di raffreddamento, " Ha detto Andrei. "C'è una grande spinta alla ricerca per incorporare questo tipo di dispositivi di raffreddamento. C'è una buona possibilità che il dispositivo di raffreddamento del grafene abbia la meglio. Altri materiali là fuori sono molto più costosi, non sono così sottili e non hanno un fattore di potenza così alto."

L'autore principale dello studio è Junxi Duan, un borsista post-dottorato in fisica di Rutgers. Altri autori includono Xiaoming Wang, un borsista post-dottorato in ingegneria meccanica della Rutgers; Xinyuan Lai, uno studente universitario di fisica di Rutgers; Guohong Li, un ricercatore associato di fisica di Rutgers; Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi del National Institute for Materials Science di Tsukuba, Giappone; Mona Zebarjadi, un ex professore di ingegneria meccanica della Rutgers che ora è all'Università della Virginia; e Andrej. Zebarjadi ha condotto uno studio precedente sul raffreddamento elettronico utilizzando dispositivi termoelettrici.