اکنون، پژوهشی تازه از دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه ویرجینیای آمریکا نشان می‌دهد که ممکن است به‌زودی با کمک کریستال‌ها، این مشکل برای همیشه برطرف شود. وقتی قطعات الکترونیکی در حداکثر توان خود فعالیت می‌کنند، حرارت زیادی تولید می‌کنند. این مسئله در تراشه‌های دستگاه‌های مختلف و حتی باتری خودروهای برقی نیز صادق است. در فضاهای فشرده‌ی درون دستگاه‌ها، این گرما به‌سختی از بین می‌رود و مدت زیادی باقی می‌ماند.

در حال حاضر، راه‌حل‌هایی مانند فن، سیستم‌های خنک‌کننده‌ی مایع یا هیت‌سینک‌های فلزی برای افزایش انتقال حرارت به کار گرفته می‌شود. اما همه‌ی این روش‌ها فضای داخلی دستگاه را اشغال کرده و مصرف انرژی را بالا می‌برند. پژوهشگران دانشگاه ویرجینیا به روشی بسیار سریع‌تر برای انتقال گرما دست یافته‌اند. آن‌ها به‌جای تکیه بر حرکت آهسته‌ی گرما همچون موج‌های پراکنده در حوض، توانسته‌اند حرارت را به شکل موج‌هایی جهت‌دار و سریع منتقل کنند.

کلید این روش، استفاده از کریستالی به نام نیترید بور شش‌ضلعی (hexagonal boron nitride یا hBN) است که ویژگی‌هایی خاص برای انتقال سریع گرما دارد. در اکثر مواد، گرما از طریق ارتعاشات اتمی به نام «فونون» (phonon) منتقل می‌شود. این فونون‌ها به‌صورت تصادفی با یکدیگر برخورد می‌کنند و انرژی را آهسته به پیش می‌برند؛ که همین باعث انباشت گرما می‌شود. اما در hBN، سازوکار متفاوتی به نام مدهای هیپربولیک فونون-پولاریتون (Hyperbolic Phonon Polaritons یا HPhP) دیده می‌شود؛ ارتعاشاتی ویژه درون کریستال که با مؤلفه‌هایی از جنس امواج الکترومغناطیسی همراه هستند.

این مدهای HPhP مسیر بسیار سریع‌تری برای حرکت گرما فراهم می‌کنند که از مکانیزم‌های معمول بسیار مؤثرتر است، چرا که مبتنی بر انتقال انرژی تابشی و دارای سرعت‌های انتشار بالا هستند. برای درک بهتر، می‌توان این تفاوت را به حرکت یک جریان سریع و جهت‌دار (HPhPs) در برابر حرکت پراکنده‌ی جمعیت (phonons) تشبیه کرد. در حالت اول، مقدار زیادی انرژی می‌تواند با سرعت بالا از نقطه‌ای به نقطه‌ی دیگر منتقل شود. برای اثبات این روش، پژوهشگران پد طلایی از جنس طلا را بر روی زیرلایه‌ای از hBN قرار دادند و آن را گرم کردند. این کار باعث تحریک مدهای HPhP شد و انتقال گرما از ناحیه‌ی تماس طلا و hBN را به‌شدت تسریع کرد. بنا بر گفته‌ی محققان، انتقال حرارت در این حالت بین ۱۰ تا ۱۰۰ برابر مؤثرتر از حالت‌های معمول بوده است.

ویل هاچینز، نویسنده‌ی این پژوهش اینطور توضیح داد:« این روش باورنکردنی سریع است. ما شاهد انتقال گرما به شیوه‌هایی هستیم که پیش از این در مواد جامد تصور نمی‌شد. این رویکردی کاملاً نوین برای کنترل دما در مقیاس نانو است.»

به گفته‌ی پژوهشگران، این فناوری می‌تواند در ترکیب با مواد دیگر نیز کارآمد باشد و راه را برای طراحی سیستم‌های خنک‌کننده‌ی نوین در طیف گسترده‌ای از دستگاه‌های الکترونیکی هموار کند. از جمله پیامدهای این کشف می‌توان به کامپیوترهای هوش مصنوعی سریع‌تر، دیتاسنترهای پایدارتر، تجهیزات پزشکی با طول عمر بالاتر و البته لپ‌تاپ‌هایی که داغ و کند نمی‌شوند، اشاره کرد.

منبع: