Um novo dispositivo eletrônico pode ligar e desligar o aquecimento com precisão e rapidez. Uma equipe de cientistas da UCLA revelou pela primeira vez um transistor térmico estável, totalmente em estado sólido, que usa campos elétricos para controlar o movimento térmico de dispositivos semicondutores. O estudo da equipe, publicado recentemente na revista Science, detalha como o dispositivo funciona e suas potenciais aplicações.

Pesquisadores da UCLA revelaram um novo transistor térmico de estado sólido que utiliza campos elétricos para controlar efetivamente o movimento térmico de semicondutores, marcando um grande avanço no gerenciamento térmico de chips de computador e aplicações potenciais na compreensão da regulação térmica no corpo humano. Ilustração de um transistor térmico de estado sólido desenvolvido na UCLA que utiliza campos elétricos para controlar o movimento do calor. Fonte: H-Lab/UCLA

Os transistores são extremamente rápidos e de alto desempenho e podem abrir novas áreas de gerenciamento térmico para chips de computador por meio de design em nível atômico e engenharia molecular. Este desenvolvimento também poderia aprofundar a nossa compreensão de como o corpo regula o calor.

Um avanço na tecnologia de gerenciamento térmico

"Controlar com precisão como o calor flui através dos materiais tem sido um sonho ilusório para físicos e engenheiros", disse o coautor do estudo, Yongjie Hu, professor de engenharia mecânica e aeroespacial na Escola de Engenharia Samueli da UCLA. "Este novo princípio de design é um grande avanço nesse sentido porque gerencia o movimento do calor ligando e desligando o campo elétrico, assim como os transistores têm feito há décadas."

Os transistores eletrônicos são os blocos de construção fundamentais da moderna tecnologia da informação. Desenvolvidos pela primeira vez pela Bell Labs na década de 1940, eles possuem três terminais – portão, fonte e coletor. Quando um campo elétrico passa pela porta, ele regula o movimento da corrente (na forma de elétrons) através do chip. Esses dispositivos semicondutores podem amplificar ou comutar sinais elétricos e energia.

Mas à medida que os tamanhos dos transistores diminuíram ao longo dos anos, permitindo que bilhões deles cabessem em um único chip, o calor gerado pelo movimento dos elétrons aumentou, afetando o desempenho do chip. Os radiadores tradicionais retiram passivamente o calor dos pontos quentes, mas encontrar um método de controle mais dinâmico para regular ativamente o calor continua sendo um desafio.

Supere as limitações do passado

Embora tenham sido feitos esforços para ajustar a condutividade térmica, seu desempenho foi prejudicado devido à dependência de peças móveis, movimento iônico ou composição de solução líquida. Isso resulta em movimento térmico que liga e desliga muito lentamente, de alguns minutos ou menos, causando problemas de confiabilidade de desempenho e incompatibilidade com a fabricação de semicondutores.

O novo transistor térmico possui propriedades de efeito de campo (modulação da condutividade térmica de um material pela aplicação de um campo elétrico externo) e de estado sólido (sem partes móveis), tornando-o não apenas de alto desempenho, mas também compatível com circuitos integrados usados ​​em processos de fabricação de semicondutores. O projeto da equipe incorpora os efeitos de campo da dinâmica de carga em interfaces atômicas para alcançar alto desempenho, comutação contínua e fluxo de calor amplificado usando energia insignificante.

Desempenho recorde e aplicações potenciais

A equipe da UCLA demonstrou um transistor térmico de porta que alcançou desempenho recorde, ligando e desligando a mais de 1 megahertz, ou 1 milhão de vezes por segundo. Eles também oferecem ajuste de condutividade térmica de 1300% e desempenho confiável em mais de 1 milhão de ciclos de comutação.

"Este trabalho é o resultado de uma colaboração notável na qual fomos capazes de usar a nossa compreensão detalhada de moléculas e interfaces para dar um passo importante no sentido de controlar propriedades importantes de materiais, com potencial para ter impactos no mundo real", disse o co-autor Paul Weiss, professor de química e bioquímica. "Conseguimos aumentar a velocidade e a magnitude dos efeitos da conversão térmica para ordens de magnitude anteriormente possíveis."

No projeto de prova de conceito da equipe, uma interface molecular automontável foi fabricada para servir como um canal para a movimentação do calor. Ao ligar e desligar o campo elétrico através da terceira porta final, a resistência térmica na interface atômica pode ser controlada, permitindo que o calor flua com precisão através do material.

Os pesquisadores verificaram o desempenho do transistor por meio de experimentos de espectroscopia e realizaram cálculos teóricos de primeiros princípios para explicar os efeitos dos campos nas propriedades atômicas e moleculares.

Esta pesquisa fornece uma inovação tecnológica escalável para energia sustentável na fabricação e desempenho de chips. Hu acredita que o conceito também oferece uma nova maneira de compreender o gerenciamento do calor no corpo humano.

“No nível mais básico, esta plataforma pode fornecer insights sobre os mecanismos de nível molecular das células vivas”, acrescentou Hu.

Referência: "Interruptor térmico molecular eletricamente fechado", autor: ManLi, HuanWu, ErinM.Avery, ZihaoQin, DominicP.Goronzy, HuuDuyNguyen, TianhanLiu, PaulS.Weiss e YongjieHu, 2 de novembro de 2023, "Science".

DOI:10.1126/science.abo4297

Fonte compilada: ScitechDaily