Materiales termoeléctricos mejorados podrían ampliar la Ley de Moore
También podrían preparar el camino para chips 3D mejorados y circuitos integrados del tipo “sistema en un chip”, reducción del consumo de energía en automóviles y alternativas más amigables con el medio ambiente que los materiales actuales.
Super celda de sodio cobaltado muestra el modo de ruidos que consiste en desplazamiento de iones de sodio (rojos) dentro de arreglos de tres vacantes. La introducción de estos modos de ruido casi planos a bajas energías reduce la velocidad del grupo conjuntamente con el gradiente termal, suprimiendo la conductividad eléctrica en un factor de seis comparado con el sodio cobaltado con vacancias disponibles. (Crédito: ESRF)
La cantidad de calor acumulada en chips de computación es un factor clave para el desarrollo de nuevos chips que se encuentran ya en la frontera de lo que se conoce como “pared de energía” –lo que bloquea el incremento en la velocidad de operación del chip y hace muy difícil duplicar la densidad de transistores en el chip (Ley de Moore).
Una solución son los materiales termoeléctricos, los cuales convierten calor en electricidad que puede ser utilizada para enfriamiento (utilizan refrigeradores de estado sólido)*.
Sin embargo, el progreso en el desarrollo de estos materiales ha llegado también a un límite.
Es debido a eso que materiales con una conductividad eléctrica mayor pero menor conductividad termal (con lo que se evita que el calor se disipe en el chip) no están disponibles.
Conjuntar iones en jaulas para disminuir la conductividad termal
Lograr esa conductividad eléctrica mayor y conductividad termal menor es teóricamente posible por medio de “conjuntar iones en jaulas” de cristales con estructuras complicadas, mas el estudio de esos cristales ha resultado difícil.
Sin embargo, un equipo internacional de científicos ideó una solución. Encabezado por Jon Goff, de la Universidad de Londres, el equipo realizó una serie de experimentos en cristales de sodio cobaltato, utilizando rayos X y experimentos con dispersión de neutrones realizados en las Instalaciones Europeas de Radiación Sincrotrónica (ESRF) y el Instituto Laue-Langevin (ILL), en Grenoble.
Los experimentos pudieron identificar “modos de ruido” que suprime la conductividad termal en un factor de seis comparado con sodio cobaltado con vacantes libres.
Los científicos consideran que su método puede también aplicarse a otras substancias distintas al sodio cobaltado, ya que el método sólo requiere pequeños cristales.
Mejores chips 3D, circuitos integrados “sistema en chip”
Los óxidos son particularmente atractivos ya que son utilizados extensamente ya en circuitos integrados y, últimadamente, debe ser posible incluirlos en el proceso de producción de chips, dijo Goff.
Eso es particularmente importante para chips 3D (incorporar capas también añade calor) y para circuitos integrados “sistema en chip”, que integran todos los componentes de una computadora en un solo chip.
Si podemos diseñar mejores materiales termoeléctricos, “sería posible reducir el consumo de energía en automóviles al convertir el calor desperdiciado en energía eléctrica, así como el enfriamiento de puntos muy calientes en los chips que usan refrigeradores de estado sólido”, dijo Goff.
Los enfriadores termoeléctricos también son utilizados en acondicionadores de aire y equipo científicos donde se requiere una respuesta rápida a los cambios de temperatura. La recuperación de energía utilizando este método resulta útil para aplicaciones de electricidad sin conexión, incluyendo dispositivos utilizados en el espacio.
“El desarrollo de óxidos termoeléctricos ofrece una alternativa ecológicamente amigable a los materiales actuales que contienen elementos dañinos, tales como plomo, bismuto o antimonio, o no existen en cantidades suficientes, como el telurio”, añadió Goff.
* Los materiales termoeléctricos convierten el calor desperdiciado en electricidad vía el “efecto termoeléctrico”. Un dispositivo termoeléctrico crea voltaje cuando existe una temperatura distinta en cada lado.
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