Raio de calor esfria chips transmitindo calor à distância

Redação do Site Inovação Tecnológica - 14/05/2024

Estrutura e dissipação do raio de calor.
[Imagem: Saeko Tachikawa et al. - 10.1103/PhysRevLett.132.186904]

Antena para transmitir calor à distância

Pesquisadores japoneses demonstraram uma espécie de "raio de calor", uma estrutura em micro ou nano-escalas capaz de irradiar o calor à distância.

A arquitetura é ideal para tirar o calor de dentro dos chips ou evitar que dispositivos miniaturizados superaqueçam. Instrumentos científicos e máquinas em nanoescala exigem uma consideração cuidadosa de como o calor será extraído do dispositivo para evitar danos. Uma parte do calor é irradiada na forma de ondas eletromagnéticas, semelhante à forma como a energia do Sol atinge a Terra através do vácuo do espaço - sim, o calor pode ser transmitido através do vácuo.

No entanto, a taxa de transferência de energia térmica pode ser muito lenta para proteger o desempenho de circuitos eletrônicos integrados sensíveis e densamente compactados. Para que a próxima geração de dispositivos seja desenvolvida, será necessário estabelecer novas abordagens para resolver esta questão da transmissão de calor.

Saeko Tachikawa e colegas da Universidade de Tóquio descobriram agora como dobrar a taxa de transferência de calor entre estruturas de silício em microescala.

E o ganho pode ser duplo: Como se trata da transferência radiativa de calor, as duas estruturas - a que cede o calor e a que o recebe - ficam separadas uma da outra, separadas por um espaço vazio, inibindo assim a transmissão do calor pelo método tradicional da difusão.

Esquema e micrografias da demonstração experimental.
[Imagem: Saeko Tachikawa et al. - 10.1103/PhysRevLett.132.186904]

Modos de condução do calor

Um elemento surpreendente é a simplicidade desse raio de calor: Basta recobrir as estruturas de silício com uma fina camada de dióxido de silício (SiO²) e deixá-las separadas por um espaço vazio, para que elas não se toquem. Isso significa que tudo pode ser feito usando a tecnologia atual, usada nas fundições de chips.

O revestimento de dióxido de silício cria um acoplamento entre as vibrações térmicas na superfície da placa (chamadas fônons) e os fótons (que constituem a radiação). Isto representa uma contribuição importante para a compreensão fundamental de como funciona a transferência de calor em nanoescala, uma vez que esta ainda é uma área de pesquisa ativa - veja Descoberta exceção à lei de 200 anos que rege a transferência de calor.

"Fomos capazes de mostrar teórica e experimentalmente como as ondas eletromagnéticas são excitadas na interface da camada de óxido, o que aumenta a taxa de transferência de calor," disse Tachikawa.

O pequeno tamanho das camadas, em comparação com os comprimentos de onda da energia eletromagnética, e sua fixação à placa de silício, que transporta a energia sem perdas, permitiu que o dispositivo ultrapassasse os limites normais de transferência de calor e, assim, resfriasse mais rapidamente.

Como a microeletrônica atual já é baseada no silício, os raios de calor poderão ser facilmente integrados nas futuras gerações de chips e circuitos semicondutores. "Nosso trabalho fornece informações sobre possíveis estratégias de gerenciamento de dissipação de calor na indústria de semicondutores, juntamente com vários outros campos relacionados, como a fabricação de nanotecnologias," disse o professor Masahiro Nomura.

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