Kristalgolven maken ultrasnelle warmteoverdracht mogelijk voor koelere elektronica

Vanuit de hotspot in het goud verspreiden Fononen en ballistische elektronen zich. Dit wordt weergegeven door de kleine blauwe deeltjes en de achtergrondgolven die van de hotspot afkomstig zijn. Straling van de hete elektronen (rode pijlen) ontsnapt en koppelt zich in de HPhP-modi van hBN. Credit: Nature Materials

In een studie gepubliceerd in Nature Materials onthulden een team van ingenieurs van de Universiteit van Virginia een nieuwe manier om warmte sneller dan ooit tevoren te verplaatsen. Met behulp van een speciaal soort kristal, hexagonaal boornitride (hBN), vonden ze een manier om warmte te verplaatsen als een lichtstraal, waarmee ze de gebruikelijke knelpunten omzeilden die elektronica oververhitten.

“We heroverwegen hoe we met warmte omgaan”, aldus Patrick Hopkins, hoogleraar werktuigbouwkunde en lucht- en ruimtevaarttechniek en Whitney Stone hoogleraar Engineering aan de UVA. “In plaats van het langzaam te laten wegsijpelen, sturen we het.”

Momenteel maken koelsystemen gebruik van metalen koellichamen, ventilatoren en vloeistofkoeling, maar deze methoden nemen ruimte in beslag en verbruiken extra stroom. Dit nieuwe onderzoek biedt een baanbrekend alternatief. In plaats van te vertrouwen op langzaam bewegende warmtevibraties, fononen genaamd, gebruikte het team hyperbolische fonon-polaritonen (HPhP’s) – speciale golven die warmte met buitengewone snelheden kunnen transporteren.

Hoe het werkt
Warmte in elektronica verspreidt zich doorgaans als rimpelingen in een vijver: het verdwijnt naar buiten, maar verliest onderweg energie. De methode van het team daarentegen zet warmte om in dicht op elkaar lopende golven die zich efficiënt over lange afstanden voortplanten, meer zoals een hogesnelheidstrein die over een spoor raast.

De onderzoekers bereikten dit door een klein gouden plaatje op een hBN te verhitten. In plaats van dat de warmte zich traag verspreidde, activeerde het de unieke eigenschappen van het hBN, waardoor de energie werd omgezet in snel bewegende polaritonische golven die de warmte onmiddellijk over en weg van de grens tussen het goud en het hBN transporteerden.

“Deze methode is ongelooflijk snel”, aldus Will Hutchins, eerste auteur van de studie en promovendus werktuigbouwkunde en lucht- en ruimtevaarttechniek aan de UVA. “We zien warmte zich verplaatsen op manieren die we in vaste materialen niet voor mogelijk hadden gehouden. Het is een compleet nieuwe manier om temperatuur op nanoschaal te beheersen.”

Deze ontdekking zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de koeling van hoogwaardige elektronica, waardoor snellere, krachtigere apparaten mogelijk worden die niet oververhit raken.

Hoewel het proces nog nieuw is, kan de impact ervan enorm zijn:

• Snellere en efficiëntere smartphones en laptops – Apparaten die niet oververhit raken, kunnen sneller werken zonder de batterij leeg te trekken.
• Betere elektrische auto’s – Batterijen die koel blijven, laden sneller op en gaan langer mee.
• Krachtigere AI en datacenters – Cloud computing en AI-tools kunnen harder werken en minder energie verbruiken.
• Geavanceerde medische technologie – Preciezere, duurzamere implantaten en beeldvormingsapparatuur.