Электроника не любит перегрева. А с наступлением летней жары компьютеры начинают буквально «задыхаться». На старых маломощных ноутбуках даже переключение между вкладками браузера может становиться проблемой. Причина проста: процессор и другие компоненты перегреваются, а система охлаждения не справляется с отводом тепла.
В подобных случаях в работу вступает механизм троттлинга — автоматическое снижение тактовой частоты процессора для предотвращения перегрева и повреждений. Однако учёные из Инженерной школы Университета Виргинии предложили революционный способ решения этой проблемы — с помощью кристаллов.
Направленные тепловые волны
Когда электронные компоненты, такие как процессоры или аккумуляторы, работают на полную мощность, они быстро нагреваются. В условиях ограниченного пространства, как, например, в ноутбуках или электромобилях, тепло скапливается и долго не рассеивается. Стандартные системы охлаждения — вентиляторы, тепловые трубки, жидкостное охлаждение — занимают много места и требуют энергии.
Американские исследователи нашли альтернативный способ, позволяющий рассеивать тепло гораздо быстрее. Вместо медленного и хаотичного распространения тепла они предложили использовать направленные тепловые волны.
Для этого они применили особый кристалл — гексагональный нитрид бора (hBN), обладающий уникальными теплопроводными свойствами. В обычных материалах тепло передаётся за счёт колебаний атомов — так называемых фононов. Эти колебания распространяются медленно, сталкиваясь друг с другом и передавая энергию пошагово.
Но в hBN действует иной механизм — гиперболические фонон-поляритонные моды (HPhP). Это особые колебания, которые сочетают в себе механические и электромагнитные компоненты. В результате тепло передаётся в виде направленных и очень быстрых волн.
Представьте: обычные фононы — это хаотичная толпа, а HPhP — это организованная и быстрая колонна, движущаяся строго по маршруту. Такой способ передачи энергии позволяет отводить тепло в 10–100 раз эффективнее.
Для демонстрации своей технологии учёные нанесли золотую пластину на подложку из hBN и нагрели её. Это возбудило HPhP-моды в кристалле, и тепло мгновенно начало отводиться от границы между золотом и нитридом бора.
«Мы наблюдаем, как тепло распространяется в твёрдом теле так, как раньше считалось невозможным. Это совершенно новый подход к контролю температуры на наноуровне», — поясняет Уилл Хатчинс, автор исследования.
Открытие может быть применимо и к другим материалам, что открывает путь к созданию более эффективных систем охлаждения. В перспективе — более производительные компьютеры и серверы, надёжные медицинские устройства и, конечно, ноутбуки, которые не будут «тормозить» при перегреве.
Исследование опубликовано в журнале Nature Materials.
