Material permite criar rodovias de calor dentro dos chips

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/10/2021

Torções entre as camadas de átomos bloqueiam o calor que atravessa as camadas, mas mantêm um fluxo de calor ao longo das folhas.
[Imagem: Daniel Spacek & Pavel Jirak/Chalmers University]

Guiar o calor

Toda atividade gera calor, porque a energia escapa de tudo o que fazemos. E o calor tem a péssima mania de se espalhar em todas as direções.

A novidade é que há uma nova forma de canalizar o calor em nível microscópico: Um isolante térmico feito com uma técnica inovadora consegue dirigir o calor, inibindo sua passagem em um sentido, e facilitando sua fuga em outro.

Shi Kim e seus colegas da Universidade de Chicago, nos EUA, empilharam camadas ultrafinas de materiais semicondutores umas sobre as outras, mas giraram levemente cada camada, criando um material com átomos alinhados na horizontal, mas não na vertical.

"Pense em um cubo de Rubik parcialmente acabado, com todas as camadas giradas em direções aleatórias," descreveu Kim. "O que isso significa é que, dentro de cada camada do cristal, ainda temos uma rede ordenada de átomos, mas se você mover para a camada vizinha, você não tem ideia de onde os próximos átomos estarão em relação à camada anterior - os átomos são completamente confusos nesta direção. "

É a mesma técnica aplicada recentemente ao grafeno, que passa de isolante a supercondutor quando uma folha é girada ligeiramente em um ângulo muito preciso, agora conhecido pelos físicos como "ângulo mágico", o que deu origem a um campo emergente de pesquisas batizado de flexotrônica.

A diferença aqui é que Kim não trabalhou com grafeno, mas com um semicondutor monoatômico igualmente promissor, a molibdenita (MoS₂).

O resultado é um material que é extremamente bom tanto em conter calor quanto em movê-lo, embora em direções diferentes, uma propriedade incomum em microescala e que pode ter aplicações muito úteis em eletrônica e outras tecnologias.

O efeito é obtido simplesmente girando as camadas de molibdenita.
[Imagem: Shi En Kim et al. - 10.1038/s41586-021-03867-8]

Condutividade termal seletiva

Uma combinação de alta e baixa condutividade termal em apenas um material pode ser muito útil, sobretudo porque o efeito é enorme: a equipe mediu um surpreendente fator de 900 na diferença no fluxo de calor nas duas direções.

"A combinação de excelente condutividade de calor em uma direção e excelente isolamento térmico na outra direção não existe na natureza," disse o professor Jiwoong Park. "Esperamos que isso abra uma direção inteiramente nova para a fabricação de novos materiais."

Por exemplo, tornar os chips de computador cada vez menores resulta em mais e mais energia passando por espaço reduzidos, criando um ambiente com alta densidade de energia. Este novo material pode ajudar a retirar esse calor conduzindo-o criteriosamente por espaços mais frios, verdadeiras "rodovias de calor" dentro dos chips.

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