Investigadores y socios financiados con fondos comunitarios están ampliando los límites de las leyes de la física. desarrollar materiales nanocompuestos y circuitos nanoelectrónicos para mejorar enormemente la energía, Rendimiento térmico e informático. Esto podría hacer que los teléfonos inteligentes y otros dispositivos electrónicos sean más eficientes y aumentar el potencial de la energía solar.

En el mundo de hoy, Los nanomateriales juegan un papel crucial en la aparición de sensores y dispositivos inteligentes, hogares inteligentes, dispositivos autónomos, robótica, biotecnología y medicina.

Pero los circuitos se han vuelto tan miniaturizados y rápidos que ya no pueden gestionar el calor generado durante el procesamiento de la información.

"Las formas estándar de romper este punto muerto, por ejemplo, generando menos calor o eliminándolo de manera más eficaz, no siguen el ritmo, "dice Mimoun El Marssi de la Université de Picardie Jules Verne en Francia.

El Marssi es el coordinador del proyecto ENGIMA, financiado con fondos europeos, que aborda este mismo problema. Se centra en cómo redistribuir la electricidad de manera eficiente a escalas minúsculas, aprovechar los avances de la nanotecnología que están abriendo nuevas posibilidades y aplicaciones que hasta hace unos años se creían imposibles.

Haciendo posible lo imposible

Un gran desafío al que se enfrentan los investigadores de ENGIMA es el llamado problema de la tiranía de Boltzmann en nanoelectrónica.

Se relaciona con uno de los conceptos más básicos de la electricidad:capacitancia, una cantidad que muestra cuánta carga se debe colocar en un conductor para garantizar un voltaje dado. La definición estándar de los libros de texto establece que la capacitancia siempre es positiva. Por lo tanto, cuanto mayor sea el voltaje, cuanto mayor sea la carga almacenada, y, Sucesivamente, más calor generará un dispositivo.

En un desarrollo revolucionario, Los investigadores de ENGIMA en Francia y Rusia que trabajan en colaboración con Valerii Vinokur del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. Desarrollaron un condensador negativo estático permanente, "un dispositivo que se creía imposible hasta hace una década.

Los diseños propuestos anteriormente para condensadores negativos funcionaban de forma temporal, base transitoria, pero el capacitor negativo desarrollado por ENGIMA es el primero en operar como un dispositivo reversible de estado estable.

El enfoque propuesto aprovecha las propiedades de los materiales ferroeléctricos, que poseen polarización espontánea que puede ser revertida por un campo eléctrico externo. El aumento de la carga en el capacitor positivo aumenta el voltaje. Lo contrario ocurre con el capacitor negativo:su voltaje cae a medida que aumenta la carga.

Al emparejar los dos condensadores, el voltaje del capacitor positivo puede aumentarse localmente a un punto más alto que el voltaje total del sistema. Esto permite que la electricidad se distribuya a las regiones del circuito que requieren un voltaje más alto, mientras que todo el circuito funciona a un voltaje más bajo.

Este avance ayudará a reducir la energía de conmutación y el voltaje operativo de los dispositivos electrónicos, reduciendo así las pérdidas de calor, señala Igor Lukyanchuk, Investigador principal de ENGIMA.

"La capacitancia negativa es uno de los desarrollos recientes más importantes para reducir el consumo de energía de los nanocircuitos y resolver los problemas de sobrecalentamiento que limitan el rendimiento de los circuitos informáticos convencionales, ", dice." Sobre la base de esta investigación, estamos desarrollando una plataforma práctica para implementar dispositivos de ultra bajo consumo de energía para el procesamiento de información ".

Hacia dispositivos inteligentes sin batería

En la práctica, esto significaría tu teléfono inteligente, Los dispositivos de Internet de las cosas y muchos otros sistemas electrónicos serán mucho más eficientes energéticamente. En combinación con otros trabajos que se llevan a cabo como parte de ENGIMA, podría transformar radicalmente nuestra experiencia de aprovechamiento de la energía, consumo y almacenamiento.

Aprovechando los avances recientes en la tecnología fotovoltaica y los materiales de película delgada para la conversión de energía solar, Los equipos de investigación de ENGIMA en Francia y México están desarrollando nuevas nanoestructuras multifuncionales de superrejilla finamente ajustadas para ferroeléctricos optimizados, respuestas estructurales y fotovoltaicas. El trabajo promete una forma eficiente de diseñar nuevas nanoestructuras para futuros materiales fotovoltaicos.

"Estos sistemas fotovoltaicos podrían convertirse en fuentes de energía verde de próxima generación como seguras, de confianza, reemplazos ecológicos para baterías en sistemas inteligentes autoalimentados, "Dice El Marssi.

Mientras tanto, Investigadores de ENGIMA en Eslovenia, dirigido por Zdravko Kutnjak en el Instituto Jožef Stefan, están explorando otras formas de superar la "tiranía de Boltzmann". Están explotando el llamado efecto electrocalórico que hace que los materiales muestren un cambio de temperatura reversible bajo un campo eléctrico aplicado. El equipo demostró por primera vez que los cristales líquidos se pueden explotar como materiales electrocalóricos con grandes cambios de temperatura.

Los desarrollos en esta área han atraído un gran interés por parte de las comunidades industriales y de investigación, ya que sugiere la integración eficiente en el chip de refrigeradores en circuitos de computación nanoelectrónicos. según Kutnjak.

"Esperamos que la temperatura de enfriamiento en los prototipos de dispositivos de cristal líquido mejore significativamente en comparación con los sistemas de estado sólido". ", añade." Además, el material de cristal líquido se puede utilizar en cualquier forma, y dichos dispositivos no se verán afectados por problemas de fatiga causados ​​por el agrietamiento de los materiales ".

Los resultados que surgen de ENGIMA prometen abrir nuevas oportunidades y posibilidades importantes para las industrias de alta tecnología, particularmente al abordar los problemas actuales de consumo y recolección de energía, con aplicaciones en muchos campos.

"Desde este punto de vista, ENGIMA puede mejorar la calidad de vida y la salud a largo plazo de los ciudadanos de la UE. Por ejemplo, contribuyendo al desarrollo de diferentes sistemas inteligentes, “También se prevé que ENGIMA contribuya a llenar el vacío en la actividad de investigación sobre la aplicación de nanomateriales multifuncionales para tecnologías informáticas y consumidoras de energía entre Europa y otros países”, dice El Marssi.