راه حلی برای جلوگیری از داغ کردن قطعات الکترونیکی

فیزیکدانان راه حلی برای جلوگیری از داغ کردن قطعات الکترونیکی پیدا کردند. و اینکار را با شبیه سازی کامپیوتری انجام دادند.

گروهی از فیزیکدانان در دانشگاه CU Boulder معمایی گیج کننده در حوزه نانو را حل کردند. چرا برخی از منابع گرمایی بسیار کوچک زمانی که کنار هم قرار میگیرند، زودتر خنک می شوند. نتایج که این هفته در مجله PNAS چاپ می شود، میتواند روزی به صنعت تکنولوژی کمک کند تا قطعات الکترونیکی سریعتری طراحی شود که کمتر داغ می شوند.

نویسنده دوم جاشوآ نوبلاک، دستیارپژوهش فوق دکترا در JILA می گوید : « داغ کردن در طراحی قطعات الکترونیکی کمی چالش برانگیز است. یک دستگاهی میسازید بعد متوجه می شوید زودتر از آنچه که میخواستید داغ میکند.

هدف ما درک فیزیک پایه در این زمینه است. تا بتوانیم در آینده دستگاه هایی بهینه تر بسازیم که جریان گرما را بهتر مدیریت میکنند.»

راه حلی برای جلوگیری از داغ کردن قطعات الکترونیکی با مطالبعه میله های آهنی در پایه سیلیکونی
لیزر میله های فوق نازک سیلیکونی را گرم میکند.

شبیه سازی

تحقیقات با مشاهده ای غیرقابل توصیف شروع شد. در سال 2015 میلادی، محققان تحت مدیریت مارگارِت مورنان و هنری کپتِین در موسسه JILA در حال آزمایش میله های فلزی در زمینه سیلیکونی بودند که بارها نازک تر از موی انسان است. وقتی این میله ها را با لیزر داغ میکردند، اتفاق عجیبی افتاد.

نوبلاک می گوید : « رفتار متضادی داشتند. این منابع گرمایی در مقیاس نانو معمولا به صورت بهینه ای گرما را از دست نمیدهند. ولی اگر آنها را به هم نزدیک کنید، بسیار سریعتر خنک می شوند.» اکنون محققان دلیل را میدانند.

در این مطالعه جدید، آنها از شبیه سازی های کامپیوتری استفاده کردند. تا مسیر حرارت را از میله های سایز نانو را به دست آوردند. آنها کشف کردند که وقتی منابع گرما را کنار یکدیگر قرار میدهند، ارتعاشات انرژی تولید شده شروع به برخورد با یکدیگر میکنند. در نتیجه گرما زودتر پخش می شود و میله ها زودتر خنک میشوند.

این گروه یکی از چالش های اصلی در طراحی دستگاه های نسل بعدی مانند میکروپردازنده ها و یا چیپ های کامپیوترهای کوانتومی را اینگونه بیان میکند : زمانی که اندازه کوچک می شود، گرما آنطوری که فکر میکنیم رفتار نمیکند.

اتم به اتم

محققان اضافه کردند : انتقال گرما در دستگاه ها مهم است. وقتی طراحی ضعیف باشد با هر دقیقه ای که میگذرد گرما بیشتر تجمع پیدا میکند و دستگاه به مرور زمان تخریب می شود. شرکت های تکنولوژی که سعی در تولید قطعات الکترونیکی کوچک تری دارند باید بیش از هر چیز دیگری به فونون ها توجه کنند.

فونون ها ارتعاشات اتم ها هستند که میتوانند گرما را در جامدات حمل کنند.

نوبلاک می گوید : «جریان گرما فرآیند پیچیده ای دارد، که کنترلش را سخت میکند. اما اگر عملکرد فونون ها در مقیاس کوچ را بفهمیم، میتوانیم روی نحوه انتقال گرمای آن کار کنیم تا بتوانیم دستگاه های بهینه تری بسازیم.»

برای انجام این کار، مورنان و کپتین و تیم فیزیکدانان تجربیشان با گروهی از فیزیکدانان تئوری به سرپرستی محمدحسین، استادی در دانشکده مهندسی علوم و فضا متحد شدند. این گروه در زمینه شبیه سازی و مدلینگ حرکت فونون ها تخصص دارد.

حسین از بخش فیزیک گفت : «ذات حقیقی گرما در پایه اتمی روشن شد.»

محققان در ابتدا آزمایش چندین سال پیش خود را بازسازی کردند. ولی این بار این کار را به صورت کامل روی کامپیوتر انجام دادند. میله های سیلیکونی را مدلسازی کردند و آنها را قطاری کنار هم چیدند و سپس آنها را گرم کردند.

نوبلاک میگوید : « شبیه سازی ها بسیار دقیق بودند به همین خاطر گروه توانست رفتار تک تک اتم های مدل را بررسی کنند. میلیون ها اتم از اول تا آخر!»

ادامه میدهد که : «ما از حداکثر توان حافظه ابرکامپیوتر CU Boulder استفاده کردیم.»

هدایت گرما

هرچند، وقتی میله ها به یکدیگر نزدیک می شوند، اتفاق دیگری می افتد. همزمان با پخش شدن گرما از منابع گرمایی، به صورت بهینه آن انرژی را وادار کرد تا با جریان شدیدتری به دور از منابع گرمایی جریان پیدا کند. مثل گروهی از مردم داخل ورزشگاه که به یکدیگر تنه میزنند و درنهایت به بیرون می روند. اسم این پدیده را «هدایت حرارتی جهت دار» (directional thermal channeling) نامگذاری کرده اند.

نوبلاک میگوید : «این پدیده انتقال گرما را به لایه زیرین و دور از منابع گرمایی انتقال میدهد.»

محققان احتمال می دهند که روزی مهندسیان بتوانند وارد زمینه این رفتارهای عجیب شوند تا درک بهتری از جریان گرما در قطعات کوچک داشته باشند. و آن انرژی را به مسیر دلخواه هدایت کنند نه اینکه فقط آزادانه حرکت کند.

20 September 2021, Proceedings of the National Academy of Sciences

.DOI: 10.1073/pnas.2109056118

منبع

نظرات کاربران
تحویل اکسپرس
پشتیبانی آنلاین
ضمانت سلامت فیزیکی کالا
ضمانت اصالت کالا