Illustrazione e micrografie elettroniche a scansione del raddrizzatore NanoTermomeccanico. Credito:Elzouka e Ndao. Pubblicato in Rapporti scientifici sulla natura .
(Phys.org)—I ricercatori hanno costruito il diodo termico più caldo fino ad oggi, che opera a temperature superiori a 600 K (326 °C). I diodi termici possono servire come elementi costitutivi dei futuri computer termici, che potrebbe funzionare a temperature alle quali i computer elettronici di oggi si surriscaldano rapidamente e smettono di funzionare.
I ricercatori, L'assistente professore Sidy Ndao e lo studente laureato Mahmoud Elzouka presso il Dipartimento di ingegneria meccanica e dei materiali dell'Università del Nebraska-Lincoln, hanno pubblicato un articolo sul diodo NanoThermoMechanical in un recente numero di Nature's Rapporti scientifici .
"Abbiamo dimostrato l'elemento costitutivo di quello che potrebbe essere il computer termico del futuro, e funziona a temperature molto elevate, "Ndao ha detto Phys.org . "Per qualcuno che lavora attivamente anche nel raffreddamento dell'elettronica, ti viene da chiederti 'E se smettessimo di raffreddare tutti i componenti elettronici?'
"A differenza dell'elettronica, I dispositivi logici e di memoria nanotermomeccanica utilizzano il calore anziché l'elettricità per registrare ed elaborare i dati; quindi possono funzionare in ambienti difficili in cui l'elettronica in genere si guasta. Alcuni esempi includono l'esplorazione del pianeta Venere con una temperatura media superiore a 400 °C, e perforazioni profonde per il petrolio e le energie geotermiche. Altrettanto importante è anche l'opportunità che questa tecnologia presenta per il recupero del calore residuo con lo sviluppo delle batterie termiche".
La funzione di un diodo termico è quella di consentire al calore di fluire principalmente in una direzione ma non nell'altra, simile a come un diodo elettronico consente alla corrente elettrica di fluire principalmente in una direzione. Questa capacità di controllare la direzione del flusso consente ai diodi di produrre due livelli distinti di segnale, che costituiscono la base per i livelli logici binari "0" e "1".
Il nuovo diodo termico raggiunge due distinti livelli di flusso di calore controllando la distanza tra due superfici:un terminale mobile e un terminale fisso. I ricercatori hanno dimostrato che la modifica delle temperature relative dei due terminali modifica la dimensione del divario tra di loro, che cambia la quantità di trasferimento di calore, che a sua volta dipende dalla direzione del flusso di calore.
Sidy Ndao e Mahmoud Elzouka, Università del Nebraska-Lincoln College of Engineering, ha sviluppato questo diodo termico che può consentire ai computer di utilizzare il calore come fonte di energia alternativa. Credito:Karl Vogel /Università del Nebraska-Lincoln Engineering
Questa è la prima volta che la relazione tra questi quattro fattori:temperatura, divario di separazione, tasso di trasferimento di calore, e direzione del flusso di calore, è stato sfruttato per l'uso in un diodo termico.
L'intero dispositivo è costituito da 24 coppie di terminali mobili e fissi, insieme a due microriscaldatori di platino a film sottile che controllano e misurano in modo indipendente le temperature di ciascuna coppia di terminali. Quando il terminale fisso è più caldo del terminale mobile, il divario è grande, con conseguente bassa velocità di trasferimento del calore. Quando il terminale mobile diventa più caldo del terminale fisso, il terminale mobile si avvicina al terminale fisso e la distanza diminuisce, portando ad una maggiore velocità di trasferimento del calore.
A questa scala, il trasferimento di calore avviene fisicamente a causa di un processo chiamato radiazione termica di campo vicino, che risulta principalmente dal tunneling di onde superficiali evanescenti tra due superfici ravvicinate. Questa dimostrazione è la prima volta che la radiazione termica in campo vicino è stata utilizzata per far funzionare un diodo termico ad alte temperature. Fare ciò è stato difficile a causa delle sfide tecniche nel controllo del divario su scala nanometrica.
I test hanno dimostrato che il diodo termico può funzionare a temperature fino a 600 K, e i ricercatori si aspettano che siano possibili temperature più elevate con prestazioni migliorate attraverso l'ottimizzazione del design.
Un altro vantaggio del metodo è che il diodo termico può essere facilmente implementato, in quanto non richiede materiali esotici ma utilizza invece tecniche standard già note all'industria dei semiconduttori.
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