Nanogeladeiras expulsam calor que limita velocidade dos computadores

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/12/2025

Modelo esquemático mostrando o resfriamento Peltier por transporte iônico seletivo de cátions em um nanoporo.
[Imagem: Makusu Tsutsui]

Refrigeração Peltier no chip

Retirar o calor dos chips sempre foi um gargalo na computação, inibindo o aumento da velocidade dos processadores e demais chips. O principal problema é que os transistores estão na escala dos nanômetros, mas os canais de água usados hoje para retirar o calor estão na escala dos milímetros.

Para tentar superar essa discrepância de escala, Makusu Tsutsui e colegas da Universidade de Osaka, no Japão, desenvolveram uma estratégia de resfriamento usando um fluxo de íons através de canais. E, como íons são muito menores do que os transistores, os nanocanais podem ser fabricados em nanoescala.

Essa estratégia, que a equipe chama de ionotermoelétrica, é análoga à técnica Peltier, na qual a passagem de uma corrente elétrica por um material resulta em aquecimento ou resfriamento, e por isso usada nas geladeiras de estado sólido.

A aplicação de uma tensão negativa ao nanoporo faz com que ele fique permeável apenas a íons carregados positivamente, ou cátions. Consequentemente, cada íon carrega consigo uma certa quantidade de calor.

"Fabricamos um poro nanométrico em uma membrana semicondutora e o circundamos com um 'portão', na forma de um nanofio. A aplicação de uma voltagem ao portão induz o fluxo de íons através do nanoporo," explicou Tsutsui. "A variação da voltagem modula a carga superficial do nanoporo."

Esquema e implementação real do dispositivo de refrigeração, totalmente compatível com a microeletrônica atual.
[Imagem: Makusu Tsutsui et al. - 10.1021/acsnano.5c13339]

Resfriamento ou aquecimento

Para demonstração da técnica, a equipe criou um gradiente de concentração na água salgada ao redor do nanoporo para direcionar o transporte de cátions em uma única direção, bombeando calor para fora do nanoporo.

A inversão da voltagem torna a superfície do nanoporo positiva, logo permeável apenas a íons negativos, ou ânions, alterando assim o sistema de resfriamento para aquecimento.

"Nós colocamos um termopar em nanoescala próximo aos orifícios dentro dos materiais, ou nanoporos, para mapear as mudanças de temperatura impulsionadas pelo transporte iônico induzido pela voltagem," detalhou o professor Tomoji Kawai. "A transição do aquecimento para o resfriamento resultou em quedas de temperatura superiores a 2 K. Descobrimos que a transferência de calor iônico depende tanto da potência de entrada quanto da espécie iônica utilizada."

Nanoporos de estado sólido são totalmente compatíveis com as tecnologias de fabricação de semicondutores. Assim, a implementação dessa estratégia de refrigeração iônica pode aumentar a capacidade dos chips semicondutores de próxima geração.

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