Ilustración y micrografías electrónicas de barrido del rectificador NanoThermoMechanical. Crédito:Elzouka y Ndao. Publicado en Informes científicos de la naturaleza .
(Phys.org) —Los investigadores han construido el diodo térmico más caliente hasta la fecha, que opera a temperaturas superiores a 600 K (326 ° C). Los diodos térmicos pueden servir como los componentes básicos de las futuras computadoras térmicas, que podría funcionar a temperaturas a las que las computadoras electrónicas actuales se sobrecalentarían rápidamente y dejarían de funcionar.
Los investigadores, El profesor asistente Sidy Ndao y el estudiante graduado Mahmoud Elzouka en el Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales de la Universidad de Nebraska-Lincoln, han publicado un artículo sobre el diodo NanoThermoMechanical en un número reciente de Nature's Informes científicos .
"Hemos demostrado el componente básico de lo que podría ser la computadora térmica del futuro, y funciona a temperaturas muy altas, "Ndao dijo Phys.org . "Para alguien que también trabaja activamente en refrigeración electrónica, te hace preguntarte '¿Qué pasaría si dejamos de enfriar la electrónica por completo?'
"A diferencia de la electrónica, Los dispositivos de memoria y lógica NanoThermoMechanical utilizan calor en lugar de electricidad para registrar y procesar datos; por lo tanto, pueden funcionar en entornos hostiles donde los componentes electrónicos suelen fallar. Algunos ejemplos incluyen la exploración del planeta Venus con una temperatura promedio superior a 400 ° C, y perforación en tierra profunda para petróleo y energías geotérmicas. También es igualmente importante la oportunidad que presenta esta tecnología para la recuperación de calor residual con el desarrollo de baterías térmicas ".
La función de un diodo térmico es permitir que el calor fluya principalmente en una dirección pero no en la otra, similar a cómo un diodo electrónico permite que la corriente eléctrica fluya principalmente en una dirección. Esta capacidad de controlar la dirección del flujo permite que los diodos produzcan dos niveles distintos de una señal, formando la base para los niveles lógicos binarios "0" y "1".
El nuevo diodo térmico logra dos niveles distintos de flujo de calor al controlar la distancia entre dos superficies:una terminal móvil y una terminal estacionaria. Los investigadores demostraron que cambiar las temperaturas relativas de los dos terminales cambia el tamaño del espacio entre ellos, que cambia la cantidad de transferencia de calor, que a su vez depende de la dirección del flujo de calor.
Sidy Ndao y Mahmoud Elzouka, Universidad de Nebraska-Lincoln College of Engineering, desarrolló este diodo térmico que puede permitir que las computadoras utilicen el calor como fuente de energía alternativa. Crédito:Karl Vogel / Universidad de Nebraska-Lincoln Engineering
Esta es la primera vez que la relación entre estos cuatro factores:temperatura, brecha de separación, tasa de transferencia de calor, y dirección del flujo de calor:se ha aprovechado para su uso en un diodo térmico.
Todo el dispositivo consta de 24 pares de terminales móviles y fijos, junto con dos microcalentadores de platino de película fina que controlan y miden de forma independiente las temperaturas de cada par de terminales. Cuando el terminal fijo está más caliente que el terminal móvil, la brecha es grande, resultando en una baja tasa de transferencia de calor. Cuando el terminal móvil se calienta más que el terminal fijo, el terminal móvil se acerca al terminal fijo y el espacio disminuye, conduciendo a una mayor tasa de transferencia de calor.
A esta escala, la transferencia de calor ocurre físicamente debido a un proceso llamado radiación térmica de campo cercano, que resulta principalmente de la formación de túneles de ondas superficiales evanescentes entre dos superficies estrechamente espaciadas. Esta demostración es la primera vez que se ha utilizado la radiación térmica de campo cercano para operar un diodo térmico a altas temperaturas. Hacer esto ha sido difícil debido a los desafíos técnicos para controlar la brecha a nanoescala.
Las pruebas mostraron que el diodo térmico puede funcionar a temperaturas de hasta 600 K, y los investigadores esperan que sean posibles temperaturas más altas con un rendimiento mejorado a través de la optimización del diseño.
Otro beneficio del método es que el diodo térmico se puede implementar fácilmente, ya que no requiere materiales exóticos sino que utiliza técnicas estándar ya conocidas por la industria de los semiconductores.
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