Em descobertas que podem ajudar a superar um grande obstáculo tecnológico no caminho para eletrônicos menores e mais potentes, uma equipe de pesquisa internacional envolvendo pesquisadores de engenharia da Universidade de Michigan, mostrou as maneiras únicas em que o calor se dissipa nas escalas mais ínfimas.

Um artigo sobre a pesquisa foi publicado na edição de 13 de junho de Natureza .

Quando uma corrente passa por um material que conduz eletricidade, ele gera calor. Entender onde a temperatura aumentará em um sistema eletrônico ajuda os engenheiros a projetar de forma confiável, computadores de alto desempenho, telefones celulares e dispositivos médicos, por exemplo. Embora a geração de calor em circuitos maiores seja bem compreendida, a física clássica não consegue descrever a relação entre calor e eletricidade no final da nanoescala - onde os dispositivos têm aproximadamente um nanômetro de tamanho e consistem em apenas alguns átomos.

Nas próximas duas décadas, espera-se que pesquisadores de ciência da computação e engenharia trabalhem nessa escala "atômica", de acordo com Pramod Reddy, Professor assistente de engenharia mecânica e ciência e engenharia de materiais da U-M que liderou a pesquisa.

"Com 20 ou 30 nanômetros de tamanho, as regiões ativas dos transistores de hoje têm dimensões muito pequenas, "Reddy disse." No entanto, se a indústria acompanhar a lei de Moore e continuar diminuindo o tamanho dos transistores para dobrar sua densidade em um circuito, as escalas atômicas não estão longe.

"O mais importante então, é entender a relação entre o calor dissipado e a estrutura eletrônica do dispositivo, na ausência do qual você não pode realmente alavancar a escala atômica. Este trabalho fornece insights sobre isso pela primeira vez. "

Os pesquisadores mostraram experimentalmente como um sistema em escala atômica aquece, e como isso difere do processo na macroescala. Eles também criaram uma estrutura para explicar o processo.

No tangível, mundo em macroescala, quando a eletricidade viaja por um fio, todo o fio esquenta, assim como todos os eletrodos ao longo dele. Em contraste, quando o "fio" é uma molécula de tamanho nanométrico e conecta apenas dois eletrodos, a temperatura sobe predominantemente em um deles.

"Em um dispositivo de escala atômica, todo o aquecimento está concentrado em um lugar e menos em outros lugares, "Reddy disse.

Para conseguir isso, pesquisadores no laboratório de Reddy - estudantes de doutorado Woochul Lee e Wonho Jeong e pós-doutorado Kyeongtae Kim - desenvolveram técnicas para criar dispositivos estáveis ​​em escala atômica e projetaram e construíram um termômetro em nanoescala personalizado integrado em um dispositivo em forma de cone. Moléculas individuais ou átomos foram aprisionados entre o dispositivo em forma de cone e uma fina placa de ouro para estudar a dissipação de calor em circuitos prototípicos em escala molecular.

"Os resultados deste trabalho também estabelecem firmemente a validade de uma teoria de dissipação de calor que foi originalmente proposta por Rolf Landauer, um físico da IBM, "Reddy disse." Além disso, os insights obtidos neste trabalho também permitem um entendimento mais profundo da relação entre dissipação de calor e fenômenos termoelétricos em escala atômica, que é a conversão de calor em eletricidade. "