Nieuw systeem ontwerpt nanomaterialen die warmte op specifieke manieren geleiden

Computerchips zitten boordevol miljarden microscopisch kleine transistoren die krachtige berekeningen mogelijk maken, maar ook veel warmte genereren. Een opeenhoping van warmte kan een computerprocessor vertragen en minder efficiënt en betrouwbaar maken. Ingenieurs gebruiken koellichamen om chips koel te houden, soms samen met ventilatoren of vloeistofkoelsystemen; deze methoden vereisen echter vaak veel energie om te werken.

Onderzoekers van het MIT hebben het anders aangepakt. Ze ontwikkelden een algoritme en een softwaresysteem dat automatisch een materiaal op nanoschaal kan ontwerpen dat warmte op een specifieke manier kan geleiden, zoals het kanaliseren van warmte in slechts één richting.

Omdat deze materialen worden gemeten in nanometers (een mensenhaar is ongeveer 80.000 nanometer breed) kunnen ze worden gebruikt in computerchips die door de geometrie van het materiaal zelf warmte kunnen afvoeren.

De onderzoekers ontwikkelden hun systeem door computationele technieken te gebruiken die traditioneel werden gebruikt om grote structuren te ontwikkelen, en deze aan te passen om materialen op nanoschaal met gedefinieerde thermische eigenschappen te creëren.

Ze ontwierpen een materiaal dat warmte langs een voorkeursrichting kan geleiden (een effect dat bekend staat als thermische anisotropie) en een materiaal dat warmte efficiënt kan omzetten in elektriciteit. Ze gebruiken het laatste ontwerp om een ​​nanogestructureerd siliciumapparaat te fabriceren voor het terugwinnen van afvalwarmte bij MIT.nano.

Wetenschappers gebruiken doorgaans een combinatie van giswerk en vallen en opstaan ​​om het vermogen van een nanomateriaal om warmte te geleiden te optimaliseren. In plaats daarvan zou iemand de gewenste thermische eigenschappen in zijn softwaresysteem kunnen invoeren en een ontwerp ontvangen dat deze eigenschappen kan bereiken en dat realistisch kan worden gefabriceerd.

Naast het maken van computerchips die warmte kunnen afvoeren, kan de techniek worden gebruikt om materialen te ontwikkelen die warmte efficiënt kunnen omzetten in elektriciteit, ook wel thermo-elektrische materialen genoemd. Deze materialen kunnen bijvoorbeeld afvalwarmte van de motoren van een raket opvangen en gebruiken om het ruimtevaartuig aan te drijven, legt hoofdauteur Giuseppe Romano uit, een onderzoekswetenschapper aan het MIT Institute for Soldier Nanotechnology en een lid van het MIT-IBM Watson AI Lab.

“Het doel hier is om deze nanogestructureerde materialen te ontwerpen die warmte heel anders transporteren dan alle natuurlijke materialen”, zegt senior auteur Steven Johnson, hoogleraar toegepaste wiskunde en natuurkunde en hoofd van de Nanostructures and Computation Group binnen het MIT Research Laboratory for Electronics. “Maar de vraag is, hoe doe je dit zo efficiënt mogelijk, in plaats van gewoon een heleboel verschillende dingen te proberen op basis van intuïtie? Giuseppe paste computationeel ontwerp toe om de computer vele mogelijke vormen te laten verkennen en degene te vinden die de best mogelijke thermische eigenschappen.”

Hun onderzoekspaper is vandaag gepubliceerd in Structurele en multidisciplinaire optimalisatie.

Trillingen beheersen

Warmte in halfgeleiders reist door trillingen. Moleculen trillen sneller als ze opwarmen, waardoor groepen moleculen in de buurt beginnen te trillen, enzovoort, waardoor warmte door een materiaal wordt verplaatst als een menigte fans die “de golf” doen bij een honkbalwedstrijd. Op atomaire schaal worden deze trillingen opgevangen in discrete energiepakketten, ook wel fononen genoemd.

De onderzoekers willen materialen op nanoschaal maken die de warmteoverdracht op heel specifieke manieren regelen, zoals een materiaal dat meer warmte geleidt in horizontale richting en minder warmte in verticale richting. Om dit te doen, moeten ze bepalen hoe fononen door het materiaal bewegen.

De materialen waarop ze zich concentreerden, staan ​​​​bekend als periodieke nanostructuren, die zijn gemaakt door een rooster van structuren met een willekeurige vorm. Het veranderen van de afmetingen of de opstelling van deze structuren kan de thermische eigenschappen van het hele systeem drastisch veranderen.

In principe hadden de onderzoekers sommige delen van deze structuren te smal kunnen maken voor fononen om er doorheen te gaan, om te bepalen hoe warmte door het materiaal kan reizen. Maar er zijn vrijwel oneindige configuraties, dus het zou buitengewoon moeilijk zijn geweest om uit te zoeken hoe ze voor bepaalde specifieke thermische eigenschappen moesten worden gerangschikt met alleen intuïtie.

“In plaats daarvan hebben we een rekentechniek geleend die traditioneel werd ontwikkeld voor constructies zoals bruggen. Stel je voor dat we een materiaal omzetten in een afbeelding, en dan vinden we de beste pixelverdeling die ons de voorgeschreven eigenschap geeft”, zegt Romano.

Met behulp van deze rekentechniek moet een algoritme uitzoeken of er bij elke pixel in de afbeelding een gaatje moet worden geplaatst.

“Omdat er miljoenen pixels zijn, als je ze gewoon allemaal probeert, zijn er gewoon te veel mogelijkheden om te simuleren. De manier waarop je dit moet optimaliseren, is door te beginnen met wat raden en het vervolgens te evolueren op een manier om de structuur continu te vervormen om maak het steeds beter”, legt Johnson uit.

Maar dit soort optimalisatie is heel moeilijk te bereiken met nanomaterialen.

Ten eerste gedraagt ​​de fysica van thermisch transport zich anders op nanoschaal, dus de gebruikelijke vergelijkingen werken niet. Bovendien is het modelleren van de beweging van fononen bijzonder complex. Men moet weten waar ze zich in de driedimensionale ruimte bevinden en ook hoe snel ze bewegen en in welke richting.

Complexe vergelijkingen temmen

De onderzoekers bedachten een nieuwe techniek, de zogenaamde transmissie-interpolatiemethode, waarmee deze zeer complexe vergelijkingen zich kunnen gedragen op een manier die het algoritme aankan. Met deze methode kan de computer de materiaalverdeling soepel en continu vervormen totdat de gewenste thermische eigenschappen zijn bereikt, in plaats van elke pixel één voor één te proberen.

Het team creëerde ook een open-source softwaresysteem en een web applicatie waarmee een gebruiker de gewenste thermische eigenschappen kan invoeren en een produceerbare materiaalstructuur op nanoschaal kan ontvangen. Door het systeem open source te maken, hopen de onderzoekers andere wetenschappers te inspireren om een ​​bijdrage te leveren aan dit onderzoeksgebied.

Met deze nieuwe tool in de hand onderzoeken de onderzoekers andere materialen die met dit systeem kunnen worden geoptimaliseerd, zoals metaallegeringen, die de deur naar nieuwe toepassingen kunnen openen. Ze bestuderen ook methoden om de thermische geleidbaarheid in drie dimensies te optimaliseren, in plaats van alleen horizontaal en verticaal.

“Voor zover ik weet, is het artikel van Romano en Johnson een van de eersten in het uitvoeren van topologisch optimaal materiaalontwerp voor warmteoverdracht op nanoschaal met het fonon Boltzmann-transportmodel. De technische nieuwigheid van hun methode zit vooral in een slimme integratie van een transmissie interpolatiemethode met het Boltzmann-transportmodel, zodat de gradiënt van de ontwerpdoelfunctie ten opzichte van de structuur van het materiaal kan worden berekend”, zegt Kui Ren, een professor in toegepaste wiskunde aan de Columbia University, die niet bij dit werk betrokken was.

“Het idee is vrij nieuw en algemeen, en ik kan me voorstellen dat dit idee binnenkort zal worden toegepast voor topologische ontwerpdoelen met meer gecompliceerde warmtetransportmodellen en in veel andere regimes van warmteoverdrachtstoepassingen.”