צוות פיזיקאים מאוניברסיטת קולורדו פתר את התעלומה שמאחורי תופעה ידועה בתחום הננו: מדוע מקורות חימום זעירים במיוחד מתקררים מהר יותר אם אורזים אותם באופן מהודק יותר

[תרגום מאת ד”ר משה נחמני]

הממצאים, שפורסמו זה מכבר בכתב העת המדעי היוקרתיProceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), יוכלו בעתיד לסייע לתעשיית ההיטק עבור הפיתוח של התקנים אלקטרוניים מהירים יותר שיתחממו הרבה פחות.  

“ברוב המקרים, התחממות היא שיקול מאתגר בפיתוח של רכיבי אלקטרוניקה. מיצרים התקן ורק בסוף מגלים כי הוא מתחמם מהר יותר מהנדרש,” אמר אחד מהחוקרים. “המטרה שלנו היא להבין את היסודות הפיזיקאליים בבסיס מנגנון זה על מנת לפתח התקנים עתידיים שיוכלו לפזר את החום הנוצר בהם באופן יעיל יותר.”

המחקר החל בתצפית בלתי מוסברת – בשנת 2015 קבוצת מחקר (Margaret Murnane and Henry Kapteyn at JILA ) ביצעה ניסויים עם חוטי מתכת שהיו דקים מעובייה של שיערת אדם שמוקמו על גבי מצע של סיליקון. כאשר הם חיממו את החוטים הללו בעזרת לייזר משהו מוזר התרחש – ככל שננו-המבנים נארזו בצורה הדוקה יותר הם התקררו מהר יותר. רק עכשיו מבינים החוקרים מדוע זה התרחש.

במחקר החדש, המדענים השתמשו בהדמיות ממוחשבות על מנת לעקוב אחר זרימת החום בתוך החוטים הננומטריים הללו. הם גילו כי כאשר ממקמים את המבנים קרוב אחד לשני, ויברציות האנרגיה של מקורות חום אלו מתחילות “לדלג” מאחד לשני, תוך פיזור החום ולמעשה גרימה להתקררות החוטים. הממצאים של קבוצת המחקר מדגישים אתגר משמעותי בתחום הפיתוח של הדור הבא של התקנים זעירים, כגון מיקרו-מעבדים או שבבים למחשב קוונטי: כאשר ממזערים עוד ועוד את ההתקן, זרימת החום לא תתנהג בהכרח כפי שאנו מצפים.

אופן ההעברה של חום בהתקנים חשובה מאוד, מוסיפים ואומרים החוקרים. אפילו פגמים זעירים במבנה של רכיבי אלקטרוניקה כמו שבב מחשב עלולים לאפשר לטמפרטורה המקומית לעלות ולגרום בכך להגברת הבלאי והשחיקה של ההתקן. ככל שחברות ההיטק שואפות לייצר רכיבי אלקטרוניקה קטנים יותר ויותר, הן תיצטרכנה לתת תשומת לב רבה יותר מאי פעם לפונונים (מוויקיפדיה) – ויברציות של אטומים המעבירים חום בחומרים מוצקים. “זרימת חום כרוכה בתהליכים מורכבים מאוד שקשה לשלוט בהם”, מסביר החוקר. “אולם, אם נוכל להבין כיצד פונונים מתנהגים בקנה מידה קטן, אז נוכל לבנות התקנים יעילים יותר מבחינת העברת חום. ברמה האטומית, טיבו האמיתי של מנגנון העברת החום מתגלה באור חדש”, אמר החוקר.

באופן מעשי, החוקרים חזרו על אותם ניסויים שהם ביצעו בעבר, אולם, הפעם בעזרת מחשב בלבד. הם ביצעו הדמיות של משטחי סיליקון שמוקמו אחד לצד השני, כמו הלוחות של מסילת רכבת, ואז חיממו אותם. ההדמיות היו כל כך מפורטות עד כדי כך שהחוקרים הצליחו לעקוב אחר כל אטום ואטום במודל – מיליונים מהם בסך הכול – מהרגע הראשון ועד סיום ההדמיה.

השיטה הוכחה כמוצלחת. החוקרים מצאו, למשל, שכאשר מרחיקים את המשטחים זה מזה מרחק מספיק, החום נוטה להיפלט מהמשטחים במנגנון הצפוי והידוע כבר למדענים – האנרגיה מועברת מהמשטחים לתוך החומרים הנמצאים מתחתם בכל הכיוונים. כאשר מקרבים את המשטחים יותר ויותר, לעומת זאת, מתרחשת תופעה אחרת – החום מפוזר בכיוון אחד עיקרי, במנגנון שלו קראו החוקרים ‘ניתוב חום כיווני’ (directional thermal channeling). “תופעה זו מגבירה את המעבר של החום למטה, לכיוון המשטח, והרחק ממקורות החום”, מסכם החוקר הראשי. לאור ממצאים אלו, החוקרים צופים כי מהנדסים יוכלו בעתיד לנצל את התופעה הזו ולפתח רכיבי אלקטרוניקה זעירים תוך ניתוב החום הנפלט מהם לאורך מסלול רצוי, במקום לכל עבר.

הידיעה אודות המחקר