Немецкие и американские ученые предложили способ, позволяющий быстро снизить нагрев электронной техники, а также в несколько раз ускорить зарядку аккумуляторов. Таких впечатляющих результатов исследователи добились с помощью одного-единственного нововведения.
СЭМ-изображение алмазной наномембраны, изгибающейся под внешним воздействием механической силы / © Fraunhofer
Вся цифровая электроника выделяет тепло благодаря работе транзисторов, которые играют роль переключателя, останавливают электрический ток или позволяют ему течь. Иными словами тепло — побочный продукт выработки энергии. Если не избавиться от «лишнего» тепла, устройство может перегреться и выйти из строя. Поэтому компоненты электроники нуждаются в системах охлаждения, которые зачастую представлены радиаторами. Обычно их производят из медных и алюминиевых пластин, обладающих высокой теплопроводностью.
Однако у этих металлов есть большая проблема. Они хорошие проводники электричества. Чтобы снизить их электропроводность, между металлом и компонентом делают электроизолирующий оксидный или нитридный тонкий слой. Но и здесь есть свой недостаток — плохая проводимость тепла.
Ученые уже давно пытаются найти материал на замену промежуточного слоя, который бы обладал хорошей теплопроводностью. Это получилось сделать у группы физиков под руководством Маттиаса Мюле (Matthias Mühle) из крупнейшего европейского объединения институтов прикладных исследований Общество Фраунгофера, а также их коллег из США. Палочкой-выручалочкой стал алмаз.
Алмазные теплоотводы только начинают находить применение в изделиях электроники. Их главный плюс — они обладают способностью рассеяния намного большей удельной тепловой мощности, чем у обычных теплоотводящих материалов. Но алмазные теплоотводы имеют толщину более двух миллиметров, поэтому их сложно установить на маленькие электронные компоненты.
Мюле и его команда разработала гибкие наномембраны из синтетических алмазов, которые тоньше человеческого волоса (толщина меньше микрометра). По словам разработчиков, их материал можно встроить практически в любые электронные компоненты, он сможет осторожно нагревать элементы до 80 градусов по Цельсию.
Физики отметили, что их гибкие электроизолирующие наномембраны могут снизить тепловую нагрузку электронных компонентов в 10 раз, что, конечно же, повысит энергоэффективность и срок службы не только самих компонентов, но и всего устройства, в котором они содержатся. Еще одно преимущество таких наномембран — при использовании в зарядных станциях, например, для электромобилей, они могут увеличить скорость зарядки в пять раз.
«Пока что наша главная цель — электромобили. Расчеты показывают, что эти наномембраны можно использовать для охлаждения энергетической электроники, связанной с преобразованием электрической энергии», — пояснил Мюле.
Ученые уже подали заявление на получение патента и в ближайшее время приступят к прикладным исследованиям: испытают алмазные наномембраны в электромобилях и телекоммуникационных системах. В случае успешных испытаний разработчики планируют наладить промышленное производство своих охлаждающих изделий.
