Hai già sentito il calore prima:lo smartphone che si riscalda durante l'esecuzione di un'app di navigazione o il laptop che diventa troppo caldo per le tue ginocchia.

Il calore prodotto dai dispositivi elettronici fa più che infastidire gli utenti. Vuoti e crepe causati dal calore possono causare il guasto di chip e circuiti.

Ora un team di ingegneri guidato da Stanford ha sviluppato un modo per gestire non solo il calore, ma anche ma aiuta a instradarlo lontano da dispositivi delicati. Scrivendo in Comunicazioni sulla natura , i ricercatori descrivono un transistor termico, un interruttore su nanoscala che può allontanare il calore dai componenti elettronici e isolarli dai suoi effetti dannosi.

"Lo sviluppo di un pratico transistor termico potrebbe essere un punto di svolta nel modo in cui progettiamo l'elettronica, ", ha affermato l'autore senior Kenneth Goodson, un professore di ingegneria meccanica.

I ricercatori hanno cercato di sviluppare interruttori termici per anni. I precedenti transistor termici si sono rivelati troppo grandi, troppo lento e non abbastanza sensibile per l'uso pratico. La sfida è stata trovare una tecnologia su scala nanometrica che potesse attivarsi e disattivarsi ripetutamente, hanno un grande contrasto di commutazione caldo-freddo e nessuna parte in movimento.

Aiutato dall'ingegnere elettrico Eric Pop e dallo scienziato dei materiali Yi Cui, Il team di Goodson ha superato questi ostacoli iniziando con un sottile strato di bisolfuro di molibdeno, un cristallo semiconduttore costituito da strati stratificati di atomi. Solo 10 nanometri di spessore ed efficace a temperatura ambiente, questo materiale potrebbe essere integrato nell'elettronica di oggi, un fattore critico per rendere pratica la tecnologia.

Per trasformare questo semiconduttore termoconduttore in un interruttore simile a un transistor, i ricercatori hanno immerso il materiale in un liquido con molti ioni di litio. Quando viene applicata una piccola corrente elettrica al sistema, gli atomi di litio iniziano a infondere negli strati del cristallo, modificando le sue caratteristiche di conduzione del calore. All'aumentare della concentrazione di litio, il transistor termico si spegne. Lavorando con il gruppo di Davide Donadio all'Università della California, Davis, i ricercatori hanno scoperto che questo accade perché gli ioni di litio allontanano gli atomi del cristallo. Questo rende più difficile il passaggio del calore.

Aditya Sood, uno studioso postdottorato con Goodson e Pop e co-primo autore della carta, paragonato il transistor termico al termostato di un'auto. Quando l'auto è fredda, il termostato è spento, impedendo il flusso del refrigerante, e il motore trattiene il calore. Mentre il motore si scalda, il termostato si apre e il liquido di raffreddamento inizia a muoversi per mantenere il motore ad una temperatura ottimale. I ricercatori prevedono che i transistor termici collegati ai chip del computer si accendano e si spengano per aiutare a limitare i danni causati dal calore nei dispositivi elettronici sensibili.

Oltre a consentire il controllo dinamico del calore, i risultati del team forniscono nuove informazioni su ciò che causa il guasto delle batterie agli ioni di litio. Poiché i materiali porosi in una batteria sono infusi con litio, impediscono il flusso di calore e possono far salire le temperature. Pensare a questo processo è fondamentale per progettare batterie più sicure.

In un futuro più lontano i ricercatori immaginano che i transistor termici potrebbero essere disposti in circuiti per calcolare usando la logica del calore, proprio come i transistor a semiconduttore calcolano usando l'elettricità. Ma mentre eccitato dal potenziale per controllare il calore su scala nanometrica, i ricercatori affermano che questa tecnologia è paragonabile a quella in cui si trovavano i primi transistor elettronici circa 70 anni fa, quando nemmeno gli inventori potevano immaginare completamente ciò che avevano reso possibile.

"Per la prima volta, però, un pratico transistor termico su scala nanometrica è a portata di mano, "dice Goodson.