Waarom sommige warmtebronnen sneller afkoelen als je ze dichter bij elkaar zet

De bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences (PNAS), zouden de technische industrie ooit kunnen helpen bij het ontwerpen van snellere elektronische apparaten die minder oververhit raken.

"Vaak is warmte een uitdagende overweging bij het ontwerpen van elektronica. Je bouwt een apparaat en ontdekt dan dat het sneller opwarmt dan gewenst", zegt co-auteur Joshua Knobloch. "Ons doel is om de fundamentele fysica te begrijpen, zodat we toekomstige apparaten kunnen ontwerpen om de warmtestroom efficiënt te beheren."

Het onderzoek begon met een onverklaarbare observatie: in 2015 experimenteerden onderzoekers onder leiding van natuurkundigen Margaret Murnane en Henry Kapteyn met staven metaal die vele malen dunner waren dan de breedte van een mensenhaar op een siliconenbasis. Toen ze die staven met een laser verhitten, gebeurde er iets vreemds.

"Ze gedroegen zich heel contra-intuïtief", zei Knobloch. "Deze warmtebronnen op nanoschaal voeren de warmte meestal niet efficiënt af. Maar als je ze dicht bij elkaar pakt, koelen ze veel sneller af."

Nu weten de onderzoekers waarom dat gebeurt.

In de nieuwe studie gebruikten ze computergebaseerde simulaties om de doorgang van warmte uit hun staven van nanoformaat te volgen. Ze ontdekten dat wanneer ze de warmtebronnen dicht bij elkaar plaatsten, de trillingen van de energie die ze produceerden op elkaar begonnen te kaatsen, waardoor de warmte verstrooide en de staven afkoelden.

De resultaten raken aan een grote uitdaging bij het ontwerpen van de volgende generatie kleine apparaten, zoals microprocessors of kwantumcomputerchips: wanneer je krimpt tot zeer kleine schaal, gedraagt ​​​​warmte zich niet altijd zoals je denkt dat het zou moeten.

Zelfs kleine defecten in het ontwerp van elektronica, zoals computerchips, kunnen ervoor zorgen dat de temperatuur stijgt, waardoor slijtage aan een apparaat ontstaat. Terwijl technologiebedrijven ernaar streven om steeds kleinere elektronica te produceren, moeten ze meer dan ooit aandacht besteden aan fononen – trillingen van atomen die warmte transporteren in vaste stoffen. De onderzoekers ontdekten dat wanneer ze hun siliciumstaven ver genoeg uit elkaar plaatsen, warmte de neiging had om op een voorspelbare manier uit die materialen te ontsnappen. De energie lekte uit de staven en in het materiaal eronder en verdween in alle richtingen.

Toen de staven echter dichter bij elkaar werden geplaatst, gebeurde er iets anders. Terwijl de hitte van die bronnen zich verspreidde, dwong het die energie in feite om intenser weg te stromen van de bronnen – als een menigte mensen in een stadion die tegen elkaar aandringen en uiteindelijk uit de uitgang springen. Het team noemde dit fenomeen ‘directionele thermische kanalisatie’.

De onderzoekers denken dat ingenieurs dit ongewone gedrag op een dag kunnen gebruiken om beter grip te krijgen op hoe warmte in kleine elektronica stroomt en die energie langs een gewenst pad sturen.