Un nuevo dispositivo electrónico puede encender y apagar la calefacción de forma precisa y rápida. Un equipo de científicos de la UCLA ha presentado por primera vez un transistor térmico estable de estado sólido que utiliza campos eléctricos para controlar el movimiento térmico de dispositivos semiconductores. El estudio del equipo, publicado recientemente en la revista Science, detalla cómo funciona el dispositivo y sus posibles aplicaciones.

Investigadores de la UCLA han presentado un nuevo transistor térmico de estado sólido que utiliza campos eléctricos para controlar eficazmente el movimiento térmico de los semiconductores, lo que marca un avance importante en la gestión térmica de chips de computadora y aplicaciones potenciales para comprender la regulación térmica en el cuerpo humano. Ilustración de un transistor térmico de estado sólido desarrollado en UCLA que utiliza campos eléctricos para controlar el movimiento del calor. Fuente: H-Lab/UCLA

Los transistores son extremadamente rápidos y eficientes, y podrían abrir nuevas áreas de gestión térmica para chips de computadora a través del diseño a nivel atómico y la ingeniería molecular. Este desarrollo también podría mejorar nuestra comprensión de cómo el cuerpo regula el calor.

Un salto adelante en la tecnología de gestión térmica

"Controlar con precisión cómo fluye el calor a través de los materiales ha sido durante mucho tiempo un sueño difícil de alcanzar para físicos e ingenieros", dijo el coautor del estudio Yongjie Hu, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Escuela de Ingeniería Samueli de UCLA. "Este nuevo principio de diseño es un gran avance en ese sentido porque gestiona el movimiento del calor encendiendo y apagando el campo eléctrico, de forma muy parecida a como lo han hecho los transistores durante décadas".

Los transistores electrónicos son los componentes fundamentales de la tecnología de la información moderna. Desarrollados por primera vez por Bell Labs en la década de 1940, tienen tres terminales: puerta, fuente y sumidero. Cuando un campo eléctrico pasa a través de la puerta, regula el movimiento de la corriente (en forma de electrones) a través del chip. Estos dispositivos semiconductores pueden amplificar o conmutar señales eléctricas y energía.

Pero a medida que el tamaño de los transistores se ha reducido a lo largo de los años, permitiendo que miles de millones de ellos quepan en un solo chip, el calor generado por el movimiento de los electrones ha aumentado, afectando el rendimiento del chip. Los radiadores tradicionales alejan pasivamente el calor de los puntos calientes, pero encontrar un método de control más dinámico para regular activamente el calor sigue siendo un desafío.

Superar las limitaciones del pasado

Si bien se han hecho esfuerzos para ajustar la conductividad térmica, su rendimiento se ha visto afectado debido a la dependencia de piezas móviles, movimiento iónico o composición de la solución líquida. Esto da como resultado un movimiento térmico que se enciende y apaga muy lentamente, de unos pocos minutos o menos, lo que provoca problemas de confiabilidad del rendimiento e incompatibilidad con la fabricación de semiconductores.

El nuevo transistor térmico tiene propiedades de efecto de campo (modulación de la conductividad térmica de un material mediante la aplicación de un campo eléctrico externo) y propiedades de estado completamente sólido (sin partes móviles), lo que lo hace no sólo de alto rendimiento sino también compatible con los circuitos integrados utilizados en los procesos de fabricación de semiconductores. El diseño del equipo incorpora los efectos de campo de la dinámica de carga en interfaces atómicas para lograr un alto rendimiento, conmutación continua y flujo de calor amplificado utilizando una potencia insignificante.

Rendimiento récord y aplicaciones potenciales

El equipo de UCLA demostró un transistor de puerta térmica que logró un rendimiento récord, encendiéndose y apagándose a más de 1 megahercio, o 1 millón de veces por segundo. También ofrecen una capacidad de ajuste de la conductividad térmica del 1300 % y un rendimiento confiable durante más de 1 millón de ciclos de conmutación.

"Este trabajo es el resultado de una colaboración notable en la que pudimos utilizar nuestra comprensión detallada de las moléculas y las interfaces para dar un paso importante hacia el control de propiedades materiales importantes, con el potencial de tener impactos en el mundo real", dijo el coautor Paul Weiss, profesor de química y bioquímica. "Hemos podido aumentar la velocidad y la magnitud de los efectos de la conversión térmica a órdenes de magnitud que antes eran posibles".

En el diseño de prueba de concepto del equipo, se fabricó una interfaz molecular autoensamblable para que sirviera como canal para que se moviera el calor. Al encender y apagar el campo eléctrico a través de la tercera puerta del extremo, se puede controlar la resistencia térmica en la interfaz atómica, permitiendo que el calor fluya con precisión a través del material.

Los investigadores verificaron el rendimiento del transistor mediante experimentos de espectroscopia y realizaron cálculos teóricos de primeros principios para explicar los efectos de los campos sobre las propiedades atómicas y moleculares.

Esta investigación proporciona una innovación tecnológica escalable para la energía sostenible en la fabricación y el rendimiento de chips. Hu cree que el concepto también proporciona una nueva forma de entender la gestión del calor en el cuerpo humano.

"En el nivel más básico, esta plataforma puede proporcionar información sobre los mecanismos a nivel molecular de las células vivas", añadió Hu.

Referencia: "Interruptor térmico molecular con activación eléctrica", autor: ManLi, HuanWu, ErinM.Avery, ZihaoQin, DominicP.Goronzy, HuuDuyNguyen, TianhanLiu, PaulS.Weiss y YongjieHu, 2 de noviembre de 2023, "Ciencia".

DOI:10.1126/ciencia.abo4297

Fuente compilada: ScitechDaily