A revolução dos transistores térmicos

A revolução dos transistores térmicos:
Mais do que controlar a eletricidade, agora é possível controlar o calor



Os transistores elétricos permitiram controlar a eletricidade, e a inovação trazida pelos transistores térmicos dão um passo à frente quanto a um desafio colossal e constante em um mundo de grandes avanços da tecnologia: a gestão de calor.

Não se trata de um problema novo, mas com a crescente demanda por dispositivos mais potentes e compactos, como smartphones e supercomputadores, a situação atingiu um patamar crítico. Os chips de computador modernos, por exemplo, desenvolvem pontos de calor extremo, com densidades de energia comparáveis às de bicos de foguetes e, em alguns casos, até à superfície do sol.

Nos data centers dos EUA, mais da metade da eletricidade consumida é destinada não ao processamento de dados, mas sim à refrigeração desses sistemas.

Yongjie Hu, físico e engenheiro mecânico da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, junto com sua equipe, pode ter encontrado a solução para este enigma de longa data. Em um estudo publicado em novembro na revista Science, eles relataram o desenvolvimento de um novo tipo de transistor, denominado “transistor térmico“, um dispositivo que promete revolucionar a maneira como lidamos com o calor nos sistemas eletrônicos, utilizando a química básica do enlace atômico a nível molecular para controlar o fluxo de calor com precisão.

Os transistores elétricos, fundamentais no mundo da eletrônica moderna, foram inventados em 1947 e mudaram o mundo ao permitir que engenheiros controlassem a eletricidade com precisão. Os transistores térmicos de Hu prometem um impacto semelhante, mas na gestão de calor. Eles são acessíveis, escaláveis e compatíveis com os processos industriais atuais, abrindo caminho para uma ampla gama de aplicações, desde baterias de íon-lítio até motores de combustão e sistemas de semicondutores.

A miniaturização dos chips aumentou exponencialmente o poder de computação, mas também exacerbou o problema do excesso de calor. Alex Zettl, físico experimental da Universidade da Califórnia em Berkeley, não envolvido no estudo, acredita que o calor nos circuitos eletrônicos, atualmente visto como um incômodo, deveria ser capturado e reutilizado. No futuro, circuitos eletrônicos e térmicos poderiam trabalhar lado a lado.

Os novso transistores
Durante as últimas duas décadas, várias equipes de pesquisa enfrentaram desafios fundamentais no desenvolvimento de transistores térmicos. Problemas estruturais e componentes mecânicos complicados impediram o sucesso dessas tentativas anteriores, mas a abordagem de Hu e sua equipe é radicalmente diferente. Eles utilizaram a formação de ligações entre átomos em um canal nanométrico do transistor. A distribuição de elétrons nesses átomos afeta a força das ligações e, consequentemente, a quantidade de calor que pode passar através deles.

O novo dispositivo de Hu usa um eletrodo nanométrico para aplicar um campo elétrico, controlando assim o movimento do calor de maneira precisa, permitindo um controle sem precedentes do fluxo de calor, semelhante ao que se faz com a corrente elétrica em transistores elétricos. Este avanço não apenas evita o superaquecimento em computadores, mas também abre a possibilidade de recapturar e reutilizar essa energia antes desperdiçada.

Em termos de desempenho, o novo dispositivo estabeleceu recordes, superando outros transistores térmicos recentes que não usam o enlace atômico. Seu design direciona o poder de resfriamento para áreas específicas com velocidades excelentes e confiabilidade elevada. Joseph Heremans, físico experimental da Universidade Estadual de Ohio, que também não participou do estudo, destaca a elegância e eficácia do novo design.

O trabalho de Hu e sua equipe é apenas o começo. Eles já estão explorando formas de integrar os transistores térmicos em sistemas diferentes, incluindo chips empilhados em 3D, um grande desafio devido à dificuldade de resfriamento. Além disso, há potencial para aplicações médicas, como na terapia de hipertermia para tratamento de câncer, onde os transistores térmicos poderiam oferecer um controle preciso do calor para eliminar células cancerígenas, poupando as saudáveis.

Assim como os transistores elétricos abriram caminho para a era tecnológica atual, os transistores térmicos prometem desencadear uma nova onda de inovação, representando oportunidades imensas em gestão de calor, processamento térmico e novos paradigmas de computação.

Fonte: Scientific American

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