تمكن فريق من الفيزيائيين من جامعة كولورادو من حل اللغز الكامن وراء ظاهرة معروفة في مقياس النانو: لماذا تبرد مصادر التسخين الصغيرة للغاية بشكل أسرع إذا كانت معبأة بإحكام أكبر

[ترجمة د. موشيه نحماني]

النتائج التي تم نشرها منذ فترة طويلة في المجلة العلمية المرموقةوقائع الاكاديمية الوطنية للعلوم (PNAS)، ستكون قادرة على مساعدة صناعة التكنولوجيا الفائقة في المستقبل لتطوير أجهزة إلكترونية أسرع ذات تسخين أقل بكثير.  

"في معظم الحالات، يعتبر التسخين أحد الاعتبارات الصعبة في تطوير المكونات الإلكترونية. قال أحد الباحثين: "يضيق الجهاز، وفي النهاية فقط يكتشفون أنه يسخن بشكل أسرع من اللازم". "هدفنا هو فهم الأسس المادية التي تقوم عليها هذه الآلية من أجل تطوير الأجهزة المستقبلية التي يمكن أن تبدد الحرارة المتولدة فيها بشكل أكثر كفاءة."

بدأ البحث بملاحظة غير مفسرة - في عام 2015، أجرت مجموعة بحثية (مارغريت مورنان وهنري كابتين في JILA) تجارب على أسلاك معدنية كانت أرق من سمك شعرة الإنسان الموضوعة على ركيزة من السيليكون. عندما قاموا بتسخين هذه الأسلاك بالليزر، حدث شيء غريب، فكلما كانت الهياكل النانوية متماسكة بإحكام، كلما تم تبريدها بشكل أسرع. الآن فقط يفهم الباحثون سبب حدوث ذلك.

وفي الدراسة الجديدة، استخدم العلماء المحاكاة الحاسوبية لتتبع تدفق الحرارة داخل هذه الأسلاك النانومترية. واكتشفوا أنه عندما يتم وضع الهياكل بالقرب من بعضها البعض، تبدأ اهتزازات الطاقة الخاصة بمصادر الحرارة هذه في "القفز" من واحد إلى آخر، بينما تشتت الحرارة وتتسبب فعليًا في تبريد الأسلاك. تسلط النتائج التي توصلت إليها مجموعة البحث الضوء على تحدي كبير في مجال تطوير الجيل التالي من الأجهزة الصغيرة، مثل المعالجات الدقيقة أو رقائق الكمبيوتر الكمومية: عندما يتم تصغير الجهاز بشكل أكبر، لن يتصرف تدفق الحرارة بالضرورة كما نتوقع .

ويضيف الباحثون أن طريقة نقل الحرارة في الأجهزة مهمة للغاية. حتى العيوب الصغيرة في بنية المكونات الإلكترونية مثل شريحة الكمبيوتر قد تسمح بارتفاع درجة الحرارة المحلية وبالتالي زيادة تآكل الجهاز. وبينما تسعى شركات التكنولوجيا المتقدمة إلى إنتاج مكونات إلكترونية أصغر فأصغر، فسوف تحتاج إلى إيلاء المزيد من الاهتمام للفونونات أكثر من أي وقت مضى (من ويكيبيديا) - اهتزازات الذرات التي تنقل الحرارة في المواد الصلبة. يوضح الباحث: "يتضمن تدفق الحرارة عمليات معقدة للغاية يصعب التحكم فيها". "ومع ذلك، إذا تمكنا من فهم كيفية تصرف الفونونات على نطاق صغير، فيمكننا بناء أجهزة أكثر كفاءة من حيث نقل الحرارة. وقال الباحث: "على المستوى الذري، تم الكشف عن الطبيعة الحقيقية لآلية نقل الحرارة في ضوء جديد".

ومن الناحية العملية، كرر الباحثون نفس التجارب التي أجروها سابقًا، ولكن هذه المرة فقط بمساعدة الكمبيوتر. لقد أجروا عمليات محاكاة لأسطح السيليكون الموضوعة جنبًا إلى جنب، مثل ألواح مسار السكك الحديدية، ثم قاموا بتسخينها. وكانت عمليات المحاكاة مفصلة للغاية لدرجة أن الباحثين تمكنوا من تتبع كل ذرة في النموذج - ملايين منها إجمالاً - من اللحظة الأولى وحتى نهاية المحاكاة.

وقد أثبتت الطريقة نجاحها. ووجد الباحثون، على سبيل المثال، أنه عندما تكون الأسطح مفصولة عن بعضها البعض بمسافة كافية، تميل الحرارة إلى الانبعاث من الأسطح في الآلية المتوقعة المعروفة بالفعل للعلماء، وهي نقل الطاقة من الأسطح إلى المواد الموجودة أسفلها. بهم في كل الاتجاهات. من ناحية أخرى، عندما يتم تقريب الأسطح أكثر فأكثر، تحدث ظاهرة أخرى، وهي تشتيت الحرارة في اتجاه رئيسي واحد، وهي الآلية التي يطلق عليها الباحثون "التوجيه الحراري الاتجاهي". ويخلص الباحث الرئيسي إلى أن "هذه الظاهرة تزيد من مرور الحرارة إلى الأسفل نحو السطح وبعيداً عن مصادر الحرارة". في ضوء هذه النتائج، يتوقع الباحثون أنه في المستقبل سيتمكن المهندسون من الاستفادة من هذه الظاهرة وتطوير مكونات إلكترونية صغيرة أثناء توجيه الحرارة المنبعثة منها على طول المسار المطلوب، بدلاً من كل مكان.

الأخبار عن الأبحاث

رابط المقالة العلمية في المقالات الأصلية لا يعمل، وأتمنى الرابط الصحيح