Разработанный немецкими и американскими учеными метод позволяет существенно уменьшить нагрев электронных устройств и значительно ускорить зарядку аккумуляторных батарей. Благодаря лишь одному новому решению, исследователям удалось достичь столь заметных результатов.
Цифровая электроника выделяет тепло в процессе работы, поскольку транзисторы, выполняющие функцию переключателей, управляют прохождением электрического тока. Таким образом, тепло является следствием преобразования энергии. Накопление «избыточного» тепла может привести к перегреву и повреждению устройства. Поэтому электронные компоненты требуют систем охлаждения, которые, как правило, включают радиаторы. Чаще всего радиаторы изготавливаются из медных и алюминиевых пластин, характеризующихся высокой теплопроводностью.
Несмотря на это, у этих материалов существует значительная проблема: они обладают высокой электропроводностью. Для уменьшения их способности проводить электричество, между металлом и компонентом наносят тонкий изолирующий слой оксида или нитрида. Однако и этот подход имеет свой минус – низкая теплопроводность.
Физики во главе с Маттиасом Мюле разработали материал, способный заменить промежуточный слой и обладающий высокой теплопроводностью ( Matthias Mühle) в исследовании приняли участие ученые из Общества Фраунгофера, крупнейшего европейского объединения институтов прикладных исследований, и их коллеги из США. Ключевую роль в этом сыграл 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 сообщили о разработке гибких электроизолирующих наномембран, способных уменьшить тепловую нагрузку на электронные компоненты в десять раз. Это, несомненно, приведет к повышению энергоэффективности и увеличения срока службы как самих компонентов, так и устройств, в которых они применяются. Кроме того, использование этих наномембран, например, в зарядных станциях для электромобилей, позволит увеличить скорость зарядки в пять раз.
«На данном этапе приоритетом для нас являются электромобили. Проведенные расчеты демонстрируют возможность применения этих наномембран для охлаждения энергетической электроники, используемой в процессах преобразования электрической энергии», — пояснил Мюле.
Заявка на получение патента уже подана, и в скором времени ученые перейдут к практическим исследованиям, в ходе которых будут проверены алмазные наномембраны в электромобилях и телекоммуникационных системах. При положительных результатах испытаний планируется организация серийного производства охлаждающих устройств.