Настоящий прорыв в области нанотехнологий связан с созданием высокоэффективных теплопроводящих материалов, обладающих компактностью и направленным действием. Ученые Токийского университета разработали материал из упорядоченных углеродных нанотрубок, способный проводить тепло только вдоль своей структуры, предотвращая его рассеивание в окружающую среду. Это достижение имеет важное значение для повышения надежности электронных устройств, поскольку перегрев их компонентов может привести к необратимым повреждениям. В настоящее время для отвода тепла используются термопаста, тепловые трубы, вентиляторы и системы водяного охлаждения. Разработанный материал открывает новые возможности для более эффективного управления теплом в миниатюрных электронных системах.
По мере того как детали становятся меньше, проблема становится острее. Современные транзисторы теперь измеряются в нанометрах, и привычные способы охлаждения тоже нуждаются в переменах.
Революционный подход
До сих пор наиболее эффективным решением с экономической точки зрения были такие металлы, как медь. Но тепло проходит через них одинаково хорошо во всех направлениях, то есть может распространиться на любой другой компонент, который находится в тепловом контакте.
Ученые отметили уникальные свойства углеродных нанотрубок. Практика показала, что по направлению материала тепло проводилось с коэффициентом 43 (Вт·м⁻¹·К⁻¹). В направлении от них коэффициент был на три порядка меньше — 0,085 (Вт·м⁻¹·К⁻¹), почти такой же, как у стекловолокна. Другими словами, материал в 500 раз лучше проводит тепло в одном направлении, чем в другом — и это самая большая на сегодня асимметрия для теплопроводных материалов.
Практическое решение
Проблема применения нанотрубок в производстве долго была в сложности их стыковки: они с трудом удерживались в плотном порядке друг к другу, чтобы создавать нужные формы. Однако исследователи нашли способ собрать их в структуру, плотную и упорядоченную, почти как у кристалла. Для этого они были погружены в специальный раствор, в котором при определенном уровне плотности структурировались сами по себе. Затем с помощью вакуума жидкость медленно откачивали, и оставался лишь сверхтонкий материал с высокой электропроводностью, делающий нанотехнологии еще ближе к нам.
А что же с водой?
Любому школьнику известно, что при нормальных условиях вода замерзает при температуре в 0 градусов Цельсия и кипит при температуре в 100 градусов. Однако, исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили, что вода, находящаяся внутри полости крошечных углеродных нанотрубок, может находиться в замороженном состоянии при температурах, значительно превышающих точку ее кипения.
Пока еще нельзя точно сказать, к каким последствиям могут привести результаты данных исследования. Столь экзотическое состояние воды может быть использовано для создания не менее экзотических вещей, таких, как “ледяные” нанопроводники с протонной проводимостью, к примеру.
Известно, что температура является не единственным фактором, определяющим точку перехода между различными агрегатными состояниями воды. На это дело оказывает большое влияние давление, понижение которого заставляет воду кипеть при более низкой температуре. Более того, ученым уже некоторое время было известно, что вода начинает вести себя крайне странно, когда она ограничена чем-то, размеры чего исчисляются нанометрами. Ранее в этом году ученые из Национальной лаборатории Ок-Ридж (Oak Ridge National Laboratory, ORNL) даже обнаружили четвертое агрегатное состояние воды, молекулы которой были помещены внутрь крошечных каналов.
“Если жидкость поместить в какую-нибудь наноразмерную “емкость”, ее поведение по отношению к фазовым переходам кардинально изменится” – рассказывает Майкл Страно (Michael Strano), ведущий исследователь, – “И этот эффект оказался намного сильнее, чем мы ожидали”.
Все наблюдения за молекулами воды проводились при помощи технологии вибрационной спектросопии, которая позволяет определить параметры движения молекул и, как следствие, в каком из агрегатных состояний находится исследуемое вещество.
Перед началом исследований ученые ожидали увидеть не очень большие изменения температуры кипения и замерзания воды. Однако, на практике ученые зарегистрировали нечто, совершенно обратное их ожиданиям, вместо ожидаемого понижения, температура точки замерзания воды переместилась значительно выше. Вода, находящаяся внутри полости углеродных нанотрубок, находилась в замороженном состоянии в диапазоне от 105 до 151 градусов Цельсия. Сначала ученые пытались объяснить наблюдаемые ими эффекты малой точностью производимых измерений и погрешностью экспериментов. Однако, после самых тщательных проверок было выяснено, что измерение диаметра нанотрубок на 0.01 нанометра приводит к смещению точки замерзания воды на десятки градусов.
То, что вода внутри нанотрубок находилась в замерзшем состоянии, еще не значит, что она превратилась в обычный лед. Несмотря на все усилия и использованные технологии, ученые не смогли получить подтверждения существования внутри нанотрубки кристаллической структуры, соответствующей структуре обычного прозрачного льда.
Еще одним интересным моментом, который продолжает оставаться загадкой для ученых, является то, как молекулы воды проникли внутрь углеродных нанотрубок, учитывая то, что нанотрубки являются супергидрофобным (водоотталкивающим) материалом?
Так как данное направление науки можно назвать “неизведанным краем”, ученые еще не знают, как можно использовать на практике этот странный материал? Однако, уже высказаны предположения, что замерзшая при комнатной температуре вода может стать основой так называемых “ледяных проводников”, которые смогут стать проводниками для протонов и иметь протонную проводимость в десятки раз лучше, чем у любого из других существующих материалов.
Перспективы охлаждения чипов и как нанотрубки Si-28 в этом могут помочь
Каждый раз мы слышим о перспективных разработках в сфере аккумуляторов, новые разработки по охлаждению компонентов любых систем на чипах и тд. Но так ли всё просто и почему не всё доходит до опытных образцов?
Ученые обнаружили и продемонстрировали новый материал для использования в передовых процессорах, который может проводить тепло на 150% эффективнее, говорится в статье, опубликованной Национальной лабораторией Лоуренса в Беркли. Накопление тепла в процессорах — большая проблема для производительности, а кремний действует как естественный теплоизолятор, препятствуя охлаждению. Есть надежда, что с применением новой технологии сверхтонких кремниевых нанотрубок чипы смогут стать меньше, быстрее и холоднее благодаря относительно простому изменению.
Ключевым изменением, которое было найдено, является использование изотопа очищенного кремния-28 (Si-28). Да, кремний дешев и распространен, но плохо проводит тепло, и это проблема современных чипов с десятками миллиардов транзисторов, работающих на высоких тактовых частотах. Природный кремний состоит из трех изотопов: кремний-28, кремний-29 и кремний-30. Кремний-28 является наиболее распространенным, составляя около 92% запасов природного кремния. Более того, давно известно, что Si-28 является лучшим проводником тепла. Очищенный Si-28 может проводить тепло примерно на 10% лучше, чем природный кремний. Однако до сих пор это преимущество считалось бесполезным. Иногда технологии заслуживают повторного изучения и переоценки по мере появления новых технологий, ведь новое – это хорошо забытое старое. Именно поэтому, ученые решили использовать очищенный Si-28 для создания ультратонких нанотрубок.
Первоначально ученые подтвердили, что теплопроводность Si-28 всего на 10% выше, чем у природного кремния. Но это было справдливо для нанотрубок диаметром 1 мм. Однако, когда они создали нанотрубки Si-28 толщиной 90 нм (примерно в тысячу раз тоньше человеческого волоса), теплопроводность стала на 150% лучше, что стало для них большим сюрпризом. Они ожидали повышения результатов всего на 10–20%.
Исследования выявили две основные причины отличной теплопроводности нанопроволок Si-28. Электронная микроскопия показала, что нанопротрубки Si-28 имеют более совершенное стекловидное покрытие, поэтому они не страдают от недостатков смешения/исчезновения фотонов при теплопередаче нанотрубок из природного кремния. Во-вторых, на этих нанотрубках образовался естественный слой SiO2 (диоксид кремния), удерживающий фотоны, переносящие тепло, на своем пути. Таким образом, два ранее наблюдавшихся механизма блокировки фотонов были значительно уменьшены благодаря новому материалу.
Итак, какая польза от кремниевых нанотрубок, проводящих на 150% больше тепла? Некоторые современные конструкции транзисторов уже включают кремниевые нанотрубки. Полевой транзистор Gate-All-Around Field Effect Transistor (GAA-FET) использует кремниевые нанотрубки, сложенные вместе для проведения электричества, но они все еще страдают от накопления тепла. Если этот новый материал можно будет заменить, то разработчики процессоров смогут добиться относительно быстрой и легкой победы над высоким тепловыделением чипов.
Читая исходную статью, в настоящее время кажется, что очищенного Si-28, доступного для дальнейшего тестирования, явно не хватает. Образцы, использованные в описанных выше экспериментах, были взяты с бывшего советского завода (внезапно) по производству изотопов. Если преимущества действительно так хороши, как заявлено, тогда одному или нескольким производителям будет необходимо снова начать переработку Si-28. Учитывая сложность дальнейшего масштабирования технологического процесса, даже увеличение теплопроводности на 50% может быть достаточной причиной для этого, не говоря уже о заявленном улучшении на 150%.
Учитывая перспективы использования данной технологии, производство очищенного и переработанного Si-28 могли бы проводить отечественные предприятия, но, к сожалению я нашел информацию только об одном действующем в Зеленогорске. Производят ли они данный изотоп? Также нет какой-либо информации после 2018 года.
Как видите, остатки промышленного потенциала всё ещё имеют перспективы для современных разработок и производства. Но без какого-либо развития, к сожалению, велика вероятность, что и это мы можем потерять.
