Com grafeno, Os pesquisadores da Rutgers descobriram uma maneira poderosa de resfriar chips minúsculos - componentes-chave de dispositivos eletrônicos com bilhões de transistores cada.

"Você pode colocar grafeno, muito fino, material bidimensional que pode ser miniaturizado, para resfriar um ponto quente que cria problemas de aquecimento em seu chip, disse Eva Y. Andrei, Professor de física do Board of Governors no Departamento de Física e Astronomia. “Esta solução não possui peças móveis e é bastante eficiente para resfriamento”.

O encolhimento dos componentes eletrônicos e o calor excessivo gerado por sua potência crescente aumentou a necessidade de soluções de resfriamento de chips, de acordo com um estudo liderado por Rutgers publicado recentemente em Proceedings of the National Academy of Sciences . Usando grafeno combinado com um substrato de cristal de nitreto de boro, os pesquisadores demonstraram um mecanismo de resfriamento mais poderoso e eficiente.

"Alcançamos um fator de potência cerca de duas vezes maior do que nos refrigeradores termoelétricos anteriores, "disse Andrei, que trabalha na Escola de Artes e Ciências.

O fator de potência refere-se à eficácia do resfriamento ativo. É quando uma corrente elétrica leva o calor embora, como mostrado neste estudo, enquanto o resfriamento passivo é quando o calor se difunde naturalmente.

O grafeno tem grandes vantagens. É uma camada de grafite com um átomo de espessura, que é a coisa escamosa dentro de um lápis. Os flocos mais finos, grafeno, consistem em átomos de carbono dispostos em uma estrutura de favo de mel que se parece com tela de galinheiro, Andrei disse. Conduz eletricidade melhor do que cobre, é 100 vezes mais forte que o aço e difunde rapidamente o calor.

O grafeno é colocado em dispositivos feitos de nitreto de boro, que é extremamente plano e liso como um rinque de patinação, ela disse. Dióxido de silício - a base tradicional para chips - prejudica o desempenho porque espalha elétrons que podem levar o calor embora.

Em um minúsculo computador ou chip de smartphone, bilhões de transistores geram muito calor, e isso é um grande problema, Andrei disse. As altas temperaturas prejudicam o desempenho dos transistores - dispositivos eletrônicos que controlam o fluxo de energia e podem amplificar os sinais - por isso precisam de resfriamento.

Os métodos atuais incluem pequenos ventiladores em computadores, mas os ventiladores estão se tornando menos eficientes e quebram, ela disse. A água também é usada para resfriamento, mas esse método pesado é complicado e sujeito a vazamentos que podem fritar os computadores.

"Em uma geladeira, você tem compressão que faz o resfriamento e você circula um líquido, Andrei disse. "Mas isso envolve peças móveis e um método de resfriamento sem peças móveis é chamado de resfriamento termoelétrico."

Pense no resfriamento termoelétrico em termos da água de uma banheira. Se a banheira tiver água quente e você ligar a água fria, leva muito tempo para que a água fria abaixo da torneira se espalhe na banheira. Este é o resfriamento passivo porque as moléculas se difundem lentamente na água do banho e se diluem, Andrei disse. Mas se você usar suas mãos para empurrar a água da ponta fria para a quente, o processo de resfriamento - também conhecido como convecção ou resfriamento ativo - será muito mais rápido.

O mesmo processo ocorre em chips de computador e smartphone, ela disse. Você pode conectar um pedaço de fio, como cobre, para um chip quente e o calor é levado passivamente, exatamente como em uma banheira.

Agora imagine um pedaço de metal com pontas quentes e frias. Os átomos e elétrons do metal passam ao redor da extremidade quente e são lentos na extremidade fria, Andrei disse. Sua equipe de pesquisa, na verdade, tensão aplicada ao metal, enviando uma corrente da ponta quente para a ponta fria. Semelhante ao caso de resfriamento ativo no exemplo da banheira, a corrente estimulou os elétrons a transportar o calor com muito mais eficiência do que por meio do resfriamento passivo. O grafeno é realmente superior em sua capacidade de resfriamento passivo e ativo. A combinação dos dois torna o grafeno um excelente resfriador.

"A indústria de eletrônicos está caminhando para esse tipo de resfriamento, "Andrei disse." Há um grande esforço de pesquisa para incorporar esses tipos de refrigeradores. Há uma boa chance de que o refrigerador de grafeno vença. Outros materiais por aí são muito mais caros, eles não são tão finos e não têm um fator de potência tão alto. "

O principal autor do estudo é Junxi Duan, um pós-doutorado em física da Rutgers. Outros autores incluem Xiaoming Wang, um pós-doutorado em engenharia mecânica da Rutgers; Xinyuan Lai, um estudante de graduação em física da Rutgers; Guohong Li, um associado de pesquisa de física da Rutgers; Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi do Instituto Nacional de Ciência de Materiais em Tsukuba, Japão; Mona Zebarjadi, um ex-professor de engenharia mecânica da Rutgers que agora está na Universidade da Virgínia; e Andrei. Zebarjadi conduziu um estudo anterior sobre resfriamento eletrônico usando dispositivos termoelétricos.