حوزه های صنعتـــی
حوزه های صنعتـــی
مشاهده گزارش
جلوگیری از گرم شدن بیش از حد دستگاه‌های کوچک نسل بعدی با کشف جدید در مقیاس نانو

جلوگیری از گرم شدن بیش از حد دستگاه‌های کوچک نسل بعدی با کشف جدید در مقیاس نانو

تاریخ : ۱۴۰۰/۰۹/۰۳ تعداد بازدید :‌ ۳۴۱
موضوعات : صنعت و بازار
نویسندگان : فائزه باغانی-مترجم
به طور عجیبی، برخی از منابع گرمایی بسیار کوچک هنگامی که آنها را به یکدیگر نزدیکتر می‌کنید، گرما را از دست می‌دهند. پژوهشگران فیزیک دانشگاه کلرادو بولدر به تازگی علت این پدیده گیج‌کننده در مقیاس نانو را کشف کرده‌اند. تحقیقات آنها که در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) منتشر شده است، ممکن است در آینده در صنعت فناوری برای ایجاد نسل بعدی دستگاه‌های الکترونیکی کوچک و سریع استفاده شود.

چالش گرمای بیش از حد برای دستگاه‌های الکترونیکی

گرما چالش‌هایی را برای سازندگان و طراحان دستگاه‌های الکترونیکی ایجاد می‌کند؛ زیرا منجر به کندتر شدن پردازش رایانه و فرسودگی سریع‌تر می‌شود. عوامل زیادی وجود دارد که بر احتمال گرم شدن بیش از حد دستگاه‌های الکترونیکی تأثیر می‌گذارد و اغلب خارج از کنترل سازنده است. مواد و ساختار اجزای محفظه، سیم‌کشی و چیدمان قطعات الکترونیکی، منبع تغذیه ناکافی و همچنین عوامل محیطی مانند عدم تهویه یا دمای بالای محیط، همگی در گرم شدن بیش از حد دستگاه نقش دارند.

کنترل انتقال حرارت در دستگاه‌ها پیچیده است. نقص‌های کوچک در ساخت یا نادیده گرفتن طراحی در مواردی مانند تراشه‌های پردازش کامپیوتری می‌تواند به طور غیرمنتظره‌ای دمای دستگاه را افزایش دهد و بر عملکرد و طول عمر دستگاه تأثیر منفی بگذارد.

انتقال حرارت همچنین در سطح مقیاس نانو به طور کامل شناخته نشده است. مکانیزم انتقال حرارت و پراکندگی بر روی اجسام نسبتاً بزرگ شناخته‌شده و می‌تواند برای طراحی وسایل الکترونیکی بزرگ‌تر جهت آماده‌سازی جریان حرارتی بهینه استفاده شود. انتقال حرارت در سطح نانو به طور کامل درک نشده است. مکانیسم انتقال و اتلاف گرما بر روی اجسام نسبتاً بزرگ شناخته شده است و می‌توان از آن برای طراحی وسایل الکترونیکی بزرگ‌تر برای تطبیق جریان گرما بهینه استفاده کرد. برای مثال، رایانه‌های رومیزی که برای بازی و اتومبیل‌های فرمول 1 با سرعت بالا ساخته شده‌اند، عملکرد را با دستکاری جریان هوا برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد، بهینه می‌کنند.

با این حال، در اندازه‌های نانو، فونون‌ها (ارتعاشات اتم‌هایی که گرما را به شکل جامد حمل می‌کنند) مرتبط‌تر می‌شوند، اما رفتار آنها به طور کامل شناخته نشده است. با در نظر گرفتن این امر و این واقعیت که ترانزیستورهای مدرن به اندازه ۵ نانومتر کوچک می‌شوند، بهبود دانش انتقال حرارت در مقیاس نانو برای بهینه‌سازی دستگاه‌ها ضروری است. درک نحوه عملکرد فونون‌ها در مقیاس نانو به معنای درک چگونگی حرکت گرما اتم به اتم در فضاهای کوچک و از طریق مولکول‌های ماده است.

 

مدیریت جریان گرما

فیزیکدانان دانشگاه کلرادو بولدر که پشت این تحقیق بودند، تلاش کردند تا بفهمند فونون‌ها چگونه کار می‌کنند تا بتوانند به طور مؤثر جریان گرما را از طریق مواد و فضا مدیریت کنند.

دانشمندان فیزیک دانشگاه کلرادو بولدر، در خلال انجام آزمایش‌هایی با میله‌های فلزی لایه نازک بر روی یک بستر سیلیکونی، یک سری مشاهدات غیرقابل توضیح را تجربه و در سال 2015 این تحقیق را آغاز کردند. میله‌های فلزی به خودی خود گرما را پراکنده نمی‌کردند. با این حال، هنگامی که محققان آنها به طور نزدیک در کنار هم قرار دادند، پس از اینکه آنها را با لیزر گرم کردند، توانستند خیلی سریع خنک شوند.

بخش فیزیک دانشگاه کلرادو بولدر به درک فیزیک اساسی مربوط به این پدیده پرداخت تا در آینده دستگاه‌های الکترونیکی و سایر دستگاه‌هایی ایجاد کند که بتوانند جریان گرما را به طور مؤثر مدیریت کنند. آخرین مطالعه نشان می‌دهد که این پدیده چگونه عمل می‌کند. شبیه‌سازی‌های کامپیوتری برای ردیابی عبور گرما از میله‌های فلزی در اندازه نانو استفاده شد. هنگامی که میله‌ها نزدیک به هم قرار می‌گیرند، انرژی ناشی از گرما به لرزه در می‌آیند که با ارتعاشات میله‌های دیگر تداخل می‌کند، آن را از مواد پراکنده می‌کند و همه میله‌ها را به سرعت خنک می‌کند.

هنگامی که گرما از میله‌های فلزی در حال ارتعاش پراکنده شد، انرژی آن به یک جهت یکنواخت و دور از میله‌ها منتقل شد. شدت آن نیز افزایش یافت و با سرعت بیشتری از میله‌ها دور شد. فیزیکدانان نام این پدیده را "کانال‌سازی حرارتی جهت‌دار" گذاشتند.

 

این پدیده چه معنایی برای صنعت الکترونیک دارد؟

نتایج این تحقیق، چالش‌ها و همچنین فرصت‌هایی را برای تولیدکنندگان وسایل الکترونیک برجسته می‌کند. گرما در کوچک‌ترین مقیاس‌ها آنطور که انتظار می‌رود رفتار نمی‌کند، زیرا تولیدکنندگان احتمالاً با تولید دستگاه‌های کوچک‌تر و کوچک‌تر وارد قلمروی ناشناخته می‌شوند. با این حال، می‌توان با کانال‌سازی حرارتی جهت‌دار، فرصتی برای غلبه بر محدودیت‌های گرمای بیش از حد فعلی در دستگاه‌های کوچک ارائه داد.

سازندگان و توسعه‌دهندگان دستگاه‌های نانومقیاس مانند تراشه‌ها و حسگرهای کوانتومی، ترموالکتریک و نانوالکترونیک به پژوهش در این حوزه علاقه‌مند خواهند شد.

 

درباره نویسنده «بن پیلکینگتون»

بن پیلکینگتون نویسنده، ویراستار و نمونه‌خوان مستقل با مدرک کارشناسی‌ارشد در رشته ادبیات انگلیسی از دانشگاه آکسفورد است. او با استفاده از ارتباط نوشتاری متعهد به شفاف‌سازی است و از گفتن داستان‌های پیچیده و فنی به شیوه‌ای مناسب و قابل‌درک، لذت می‌برد.

نظرات

پاسخ به نظــر بازگشت به حالت عادی ثبت نظر

نظر شما
security code