Con grafeno Los investigadores de Rutgers han descubierto una forma poderosa de enfriar chips diminutos, componentes clave de dispositivos electrónicos con miles de millones de transistores cada uno.

"Puedes colocar grafeno, una muy delgada, material bidimensional que se puede miniaturizar, para enfriar un punto caliente que crea problemas de calentamiento en su chip, dijo Eva Y. Andrei, Profesor de Física de la Junta de Gobierno del Departamento de Física y Astronomía. "Esta solución no tiene partes móviles y es bastante eficiente para enfriar".

La contracción de los componentes electrónicos y el calor excesivo generado por su creciente potencia ha aumentado la necesidad de soluciones de enfriamiento de chips. según un estudio dirigido por Rutgers publicado recientemente en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . Usando grafeno combinado con un sustrato de cristal de nitruro de boro, los investigadores demostraron un mecanismo de enfriamiento más potente y eficiente.

"Hemos logrado un factor de potencia que es aproximadamente dos veces mayor que en los enfriadores termoeléctricos anteriores, "dijo Andrei, que trabaja en la Facultad de Artes y Ciencias.

El factor de potencia se refiere a la efectividad del enfriamiento activo. Ahí es cuando una corriente eléctrica se lleva el calor, como se muestra en este estudio, mientras que el enfriamiento pasivo es cuando el calor se difunde naturalmente.

El grafeno tiene grandes ventajas. Es una capa de grafito de un átomo de espesor, que es la materia escamosa dentro de un lápiz. Los copos más finos, grafeno consisten en átomos de carbono dispuestos en una celosía de panal que parece alambre de gallinero, Andrei dijo. Conduce la electricidad mejor que el cobre, es 100 veces más resistente que el acero y difunde rápidamente el calor.

El grafeno se coloca en dispositivos hechos de nitruro de boro, que es extremadamente plano y liso como una pista de patinaje, ella dijo. El dióxido de silicio, la base tradicional de los chips, dificulta el rendimiento porque dispersa electrones que pueden llevar el calor.

En un pequeño chip de computadora o teléfono inteligente, miles de millones de transistores generan mucho calor, y ese es un gran problema, Andrei dijo. Las altas temperaturas obstaculizan el rendimiento de los transistores, dispositivos electrónicos que controlan el flujo de energía y pueden amplificar las señales, por lo que necesitan refrigeración.

Los métodos actuales incluyen pequeños ventiladores en las computadoras, pero los ventiladores son cada vez menos eficientes y se estropean, ella dijo. El agua también se usa para enfriar, pero ese método voluminoso es complicado y propenso a filtraciones que pueden freír las computadoras.

"En un refrigerador, tienes compresión que hace el enfriamiento y circula un líquido, ", Dijo Andrei." Pero esto implica partes móviles y un método de enfriamiento sin partes móviles se llama enfriamiento termoeléctrico ".

Piense en el enfriamiento termoeléctrico en términos del agua en una bañera. Si la tina tiene agua caliente y abre el agua fría, el agua fría debajo del grifo tarda mucho en difundirse en la bañera. Esto es enfriamiento pasivo porque las moléculas se difunden lentamente en el agua del baño y se diluyen. Andrei dijo. Pero si usa sus manos para empujar el agua del extremo frío al caliente, el proceso de enfriamiento, también conocido como convección o enfriamiento activo, será mucho más rápido.

El mismo proceso se lleva a cabo en chips de computadoras y teléfonos inteligentes, ella dijo. Puede conectar un trozo de cable, como el cobre, a un chip caliente y el calor se lleva pasivamente, como en una bañera.

Ahora imagina una pieza de metal con extremos fríos y calientes. Los átomos y electrones del metal se deslizan alrededor del extremo caliente y son lentos en el extremo frío. Andrei dijo. Su equipo de investigación, en efecto, voltaje aplicado al metal, enviando una corriente desde el extremo caliente al extremo frío. Similar al caso del enfriamiento activo en el ejemplo de la bañera, la corriente estimuló a los electrones a llevarse el calor de manera mucho más eficiente que a través del enfriamiento pasivo. El grafeno es realmente superior tanto en su capacidad de enfriamiento pasivo como activo. La combinación de los dos hace que el grafeno sea un excelente enfriador.

"La industria de la electrónica se está moviendo hacia este tipo de enfriamiento, "Dijo Andrei." Hay un gran impulso de investigación para incorporar este tipo de refrigeradores. Existe una buena posibilidad de que el enfriador de grafeno gane. Otros materiales son mucho más caros, no son tan delgadas y no tienen un factor de potencia tan alto ".

El autor principal del estudio es Junxi Duan, un becario postdoctoral de física de Rutgers. Otros autores incluyen Xiaoming Wang, un becario postdoctoral de ingeniería mecánica de Rutgers; Xinyuan Lai, un estudiante de licenciatura en física de Rutgers; Guohong Li, un asociado de investigación en física de Rutgers; Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Tsukuba, Japón; Mona Zebarjadi, un ex profesor de ingeniería mecánica de Rutgers que ahora está en la Universidad de Virginia; y Andrei. Zebarjadi realizó un estudio previo sobre enfriamiento electrónico mediante dispositivos termoeléctricos.