Desde teléfonos inteligentes hasta supercomputadoras, la electrónica tiene un problema de calor. Los chips de computadora modernos sufren de “puntos calientes” microscópicos con niveles de densidad de potencia que exceden los de las toberas de los cohetes e incluso se aproximan a los de la superficie del sol. Debido a esto, más de la mitad de la electricidad total quemada en los centros de datos de EE. UU. no se utiliza para computación, sino para enfriar. Y muchas tecnologías nuevas y prometedoras, como los chips apilados en 3D y los sistemas de energía renovable, no pueden alcanzar su máximo potencial por calor errante que disminuye el rendimiento, la confiabilidad y la longevidad de un dispositivo.
“El calor es muy difícil de gestionar”, afirma Yongjie Hu, físico e ingeniero mecánico de la Universidad de California en Los Ángeles. “Controlar el flujo de calor ha sido durante mucho tiempo un sueño para físicos e ingenieros, pero sigue siendo difícil de alcanzar”.
Pero es posible que Hu y sus colegas hayan encontrado una solución. Como se informó el pasado mes de noviembre en Ciencia, su equipo tiene desarrolló un nuevo tipo de transistor que puede controlar con precisión el flujo de calor aprovechando la química básica del enlace atómico a nivel de una sola molécula. Estos “transistores térmicos” probablemente serán un componente central de los circuitos futuros y funcionarán en conjunto con los transistores eléctricos. El novedoso dispositivo ya es asequible, escalable y compatible con las prácticas de fabricación industrial actuales, afirma Hu, y pronto podría incorporarse a la producción de baterías de iones de litio, motores de combustión, sistemas semiconductores (como chips de computadora) y más.
“Este invento representa un avance revolucionario con inmensas aplicaciones prácticas”, dice Hu. “En pocas palabras, antes de esto no había ninguna forma disponible para un control preciso del calor”.
Los transistores eléctricos se inventaron en 1947 y cambiaron el mundo al permitir a los ingenieros controlar la electricidad con precisión. Estos dispositivos, que ahora son un componente crítico de básicamente todos los dispositivos electrónicos, actúan como interruptores: constan de dos terminales a través de los cuales fluye la electricidad, más un tercer terminal que controla el flujo. Hoy en día es posible comprimir miles de millones de transistores en un solo chip y, si bien esta miniaturización ha aumentado exponencialmente la potencia informática, también ha hecho que lidiar con el exceso de calor sea aún más desafiante.
Sin embargo, con la tecnología adecuada, el calor desperdiciado no sólo podría capturarse para evitar daños al chip; también podría aprovecharse y reutilizarse. “Hoy en día, la mayor parte del calor en los circuitos electrónicos se considera una molestia y uno simplemente intenta canalizarlo, cuando en realidad debería ponerse a trabajar”, dice Alex Zettl, físico experimental de la Universidad de California, Berkeley, que no participó. en el nuevo estudio. “En el futuro, sospecho que los circuitos electrónicos y térmicos funcionarán de la mano”.
Durante las últimas dos décadas, equipos de investigación como el de Hu han intentado marcar el comienzo de este futuro mediante el desarrollo de transistores térmicos para controlar el flujo de calor con tanta precisión como los transistores eléctricos controlan las corrientes eléctricas. Sin embargo, varios desafíos fundamentales se han interpuesto en su camino. Los diseños anteriores de transistores térmicos, por ejemplo, a menudo dependían de piezas móviles difíciles de manejar que ralentizaban los tiempos de procesamiento. Y los problemas estructurales también han provocado que dichos dispositivos fallen. “Ha habido mucho interés en el campo, pero ninguno [of these past attempts] han tenido éxito”, afirma Hu.
Para sortear estas limitaciones, Hu y sus colegas han pasado una década desarrollando un enfoque completamente nuevo para construir un transistor térmico. Su técnica aprovecha los enlaces que se forman entre los átomos en un canal a nanoescala del nuevo transistor. Estos átomos enlazados se mantienen unidos compartiendo sus electrones, y la forma en que estos electrones se distribuyen entre ellos afecta la fuerza de los enlaces. Esto, a su vez, influye en la cantidad de calor que puede pasar a través de los átomos.
Hu y sus colegas descubrieron que podían manipular estas variables utilizando un electrodo a nanoescala que aplica un campo eléctrico para controlar con precisión el movimiento del calor. Al igual que un transistor eléctrico, el nuevo dispositivo consta de dos terminales entre los que fluye el calor y un tercero que controla este flujo, en este caso con el campo eléctrico, que ajusta las interacciones entre electrones y átomos dentro del dispositivo. Esto conduce a cambios en la conductividad térmica y permite un control preciso del movimiento del calor.
Con la invención del dispositivo, dice Hu, el calor ahora puede “manipularse para muchas aplicaciones según nuestras necesidades”. Esto incluye evitar el sobrecalentamiento de las computadoras e incluso recuperar esta energía que alguna vez se desperdició para su reutilización.
El nuevo dispositivo estableció récords y funcionó mejor en varios órdenes de magnitud en los experimentos del equipo, en comparación con otros transistores térmicos diseñados recientemente que no utilizan enlaces a nivel atómico. Su diseño “nuevo y elegante” dirige la potencia de enfriamiento a áreas específicas a velocidades “excelentes”, dice Joseph Heremans, físico experimental de la Universidad Estatal de Ohio, que no participó en la investigación. En experimentos, el equipo descubrió que el nuevo dispositivo también amortiguaba drásticamente los picos de calor en un 1300 por ciento y lograba todo este control con alta confiabilidad.
Geoff Wehmeyer, ingeniero mecánico de la Universidad Rice, que tampoco participó en el nuevo estudio, añade que la novedosa técnica de manipular los enlaces entre átomos con electricidad para controlar el calor probablemente “motivará una gran cantidad de investigaciones fundamentales adicionales”.
Aún se necesita más trabajo antes de que el nuevo dispositivo pueda “cambiar el mundo”, afirma Zettl. Fundamentalmente, las investigaciones futuras deben crear primero circuitos electrónicos-térmicos totalmente híbridos, lo que requerirá integrar los nuevos circuitos de control de calor con los eléctricos existentes. Pero Zettl cree que el nuevo dispositivo logra el principal objetivo subyacente de “elegantemente [coupling] electrónica con flujo de energía térmica, que, a la larga, es el nombre del juego”.
Hu y sus colegas ya están experimentando con la estructura y los materiales del dispositivo para mejorar aún más su rendimiento. También están estudiando formas de integrarlo en diferentes sistemas, incluidos chips apilados en 3D. Estos arreglos abordan un desafío de escala fundamental al apilar chips 2-D, pero su enfriamiento ha sido especialmente desafiante.
Pequeños transistores que controlan el calor también podrían tener aplicaciones médicas. El equipo de Hu está trabajando con oncólogos para investigar si los transistores térmicos podrían avanzar en un tipo de tratamiento contra el cáncer llamado terapia de hipertermia, que utiliza partículas magnéticas para administrar niveles mortales de calor a las células malignas. Hu dice que se podrían incorporar transistores térmicos en sondas o nanopartículas para proporcionar a los oncólogos un control preciso sobre el calentamiento, lo que garantizaría mejor la aniquilación de las células cancerosas y la preservación de las células sanas.
Así como la invención del transistor eléctrico desató una ola de innovación que marcó el comienzo de la era tecnológica actual, Hu predice que los transistores térmicos también podrían conducir a avances que son imposibles de imaginar ahora. “Esta invención abre enormes oportunidades en la gestión y el procesamiento del calor y en nuevos paradigmas informáticos”, afirma Hu. “Los transistores térmicos son una puerta de entrada al futuro”.