Oververhitte laptops en smartphones zijn met deze warmtegeleidende kristallen mogelijk verleden tijd.
Iedereen heeft er weleens last van: een hete smartphone na een ‘paar’ potjes Candy Crush, of een blazende laptop na een sessie Netflix. Hoe irritant ook, dit afkoelen – want dat is het – is van cruciaal belang wil je dat je computer en telefoon het blijven doen. Het is dan ook niet gek dat er hard wordt gewerkt aan manieren om dit proces beter te maken. De warmtegeleidende kristallen die onderzoekers aan de UT Dallas ontwikkelden, zouden weleens een zeer veelbelovende kandidaat kunnen zijn.
Lees ook: ‘Laptop’ en smartphone worden één
Thermische geleidbaarheid
Het is makkelijk te onderschatten, maar onze laptops en telefoons zijn kleine megacomputers. Met de vraag naar steeds compactere varianten, kun je je voorstellen dat zonder wat van die computer power in te leveren, de technologie op een bepaald moment zijn maximum bereikt. Een oplossing is het ontwikkelen van nieuwe mechanismen en materialen, zoals betere manieren om geproduceerde warmte af te voeren.
Met een zogeheten thermische geleidbaarheid – hoe goed een materiaal warmte geleidt – van zo’n 2300 watt per meter kelvin, staat diamant op nummer 1 wat betreft warmteafvoer. Ter vergelijking: de geleidbaarheid van silicium – wat je in de meeste smartphones vindt – is slechts zo’n 150 watt per meter kelvin. Maar ja, aan het gebruik van diamant hangt natuurlijk een behoorlijk prijskaartje.
Boriumarsenide
Het onderzoek naar een efficiëntere en goedkopere variant, dat onlangs in vakblad Science werd gepubliceerd, was al even aan de gang. Zo’n vijf jaar geleden voorspelden de onderzoekers al dat de stof boriumarsenide (van boor en arseen) warmte net zo goed zou afvoeren als diamant. Helaas bleek na twee jaar zwoegen op het maken van kristallen van het materiaal dat de warmtegeleiding niet veel beter was dan dat van silicium.
Met behulp van de zogeheten gastransportmethode maakten de onderzoekers van boor en arseen, boriumarsenidekristallen.
Sindsdien werkte het team aan het optimaliseren van de kristallen. En dat heeft zijn vruchten afgeworpen. De nieuwste ‘lading’ boriumarsenidekristallen geleiden zo’n 1000 watt per meter kelvin. Dat is, op diamant na, de beste tot nu toe.
Fononen
De afvoer van warmte in apparaten als je telefoon heeft te maken met trillingen. Als zo’n kristal – van boriumarsenide, silicium, et cetera – trilt, zorgt die beweging voor de vorming van een soort energiepakketjes – warmte. Door de verplaatsing van deze zogeheten fononen, kan warmte door (vaste) stoffen worden afgevoerd.
Unieke eigenschappen van boriumarsenide zoals het verschil in massa tussen boor- en arseenatomen, maakt dat de fononen gemakkelijker kunnen bewegen en de warmte efficiënt kan worden afgevoerd.
De volgende stap is onder andere het groeiproces van de kristallen te versnellen zodat het op grote schaal kan worden geproduceerd. Dan is het hopen dat ze ook de megacomputers van de toekomst koel kunnen houden.
Bronnen: University of Texas at Dallas via EurekAlert!
Beeld: University of Texas at Dallas
Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Bestel dan hier ons nieuwste nummer. Abonnee worden? Dat kan hier!