U.S. Department of Energy Office of Science
Znanstveniki so odkrili nov material, ki prevaja toploto trikrat bolje kot baker.
Vsakdo, ki ga je kdaj razjezilo pregrevanje mobilnega telefona ali se je spraševal, kako bodo naprave prenesle toploto, ki jo ustvarjajo aplikacije umetne inteligence (AI), bo morda navdušen nad nedavnim odkritjem, ki postavlja pod vprašaj dolgoletna prepričanja o načinih hlajenja v elektroniki. Večinstitucionalna raziskovalna skupina, ki deluje v okviru Advanced Photon Source (APS) – uporabniške ustanove Urada za znanost ameriškega Ministrstva za energijo (DOE) v Nacionalnem laboratoriju Argonne, ki ga upravlja DOE, je odkrila kovinski material z najvišjo toplotno prevodnostjo, ki je bila doslej izmerjena med kovinami. Toplotna prevodnost opisuje, kako učinkovito lahko material prenaša toploto. Materiali z visoko toplotno prevodnostjo so bistvenega pomena za odpravo lokaliziranih vročih točk v elektronskih napravah, kjer pregrevanje omejuje njihovo zmogljivost.
»Te natančne meritve so omogočile izboljšane zmogljivosti nadgradnje APS. Eksperiment in teorija skupaj ponujata mikroskopsko razlago za rekordno visoko toplotno prevodnost.« – Ahmet Alatas, Nacionalni laboratorij Argonne. Ta poskus je bil prvi, ki je bil izveden na posodobljeni žarkovni liniji 30-ID v APS, po obsežnem projektu preoblikovanja objekta v najsvetlejši vir sinhronskega rentgenskega sevanja [1] na svetu.
Raziskovalna skupina pod vodstvom Yongjieja Huja z Univerze Kalifornije v Los Angelesu (UCLA) je poročala, da kovinski tantalov nitrid v teta-fazi (θ-TaN) prevaja toploto skoraj trikrat učinkoviteje kot baker ali srebro, ki sta najboljši konvencionalni toplotno prevodni kovini.
Baker trenutno predstavlja približno 30 odstotkov komercialnih materialov za upravljanje toplote. Njegova toplotna prevodnost znaša približno 400 vatov na meter-kelvin. Nasprotno pa ima novo odkriti material izjemno visoko toplotno prevodnost, ki znaša približno 1.100 vatov na meter-kelvin, s čimer postavlja nov mejnik za kovinske materiale in na novo opredeljuje možnosti prenosa toplote v kovinah. »V času, ko se tehnologije umetne inteligence hitro razvijajo, zahteve po odvajanju toplote potiskajo konvencionalne kovine, kot je baker, na meje njihovih zmogljivosti, pri čemer postaja velika svetovna odvisnost od bakra v čipih in pospeševalnikih umetne inteligence vse bolj zaskrbljujoča,« je dejal Hu. »Naše raziskave kažejo, da bi lahko tantalov nitrid v theta-fazi predstavljal temeljito novo in boljšo alternativo za doseganje visoke toplotne prevodnosti ter bi lahko pomagal usmerjati razvoj toplotnih materialov naslednje generacije.« V kovinskih materialih toploto prenašajo tako prosto gibljivi elektroni kot tudi atomska nihanja, znana kot fononi. Močne interakcije med elektroni in fononi so v preteklosti omejevale učinkovitost pretoka toplote v kovinah. Teoretični modeli raziskovalcev so nakazovali, da bi ta novi material s svojo edinstveno atomsko strukturo lahko prenašal toploto z izjemno učinkovitostjo. Raziskovalna skupina je za preverjanje lastnosti novega materiala uporabila nedavno nadgrajeni APS. Izvedli so neelastično rentgensko razpršitev z visoko ločljivostjo in ugotovili izredno šibke interakcije med elektroni in fononi, kar omogoča precej učinkovitejši pretok toplote kot pri običajnih kovinah. »Te natančne meritve so omogočile izboljšane zmogljivosti nadgrajene naprave APS,« je dejal znanstvenik iz Argonneja Ahmet Alatas. »Eksperiment in teorija skupaj ponujata mikroskopsko razlago za rekordno visoko toplotno prevodnost.« Raziskovalci menijo, da bi to odkritje lahko vplivalo ne le na mikroelektroniko in strojno opremo za umetno inteligenco, temveč tudi na širok spekter tehnologij, ki jih vedno bolj omejuje toplota, vključno z podatkovnimi centri, vesoljskimi sistemi in nastajajočimi kvantnimi platformami.
Rezultati so bili objavljeni v reviji Science [2].
Viri:
1: http://www.anl.gov/science-101/light-source
2: https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.aeb1142
