محمد الرخا - دبي - الأربعاء 18 مايو 2022 10:00 مساءً - ابتكر باحثون تقنية قادرة على توصيل الحرارة بكفاءة تصل إلى 150% بالمقارنة مع التقنيات الحالية المستخدمة في تقنيات الرقائق الإلكترونية.

وأشار الباحثون في دراستهم المنشورة في مجلة ”فيزيكال ريفيو ليترز“ العلمية، إلى أن التقنية الجديدة القائمة على أسلاك نانوية مصنوعة من السيليكون، تمتاز بكفاءتها العالية في نقل الحرارة، ما يسهم بجعل الأجهزة الإلكترونية أصغر وأسرع.

وتقلل الأسلاك السيليكونية من الحرارة الضائعة، ما يحد من استهلاك الطاقة التي نحصل عليها من خلال حرق الوقود الأحفوري المسبب لانبعاثات الغازات الدفيئة.

أسعار مقبولة

وقال قائد الدراسة العالِم جنكياو وو، من جامعة يو سي بيركلي الأمريكية، إن ”الابتكار الجديد يساعدنا بتحسين قدرات السيليكون الطبيعية، لجعله موصلًا جيدًا للحرارة في تصنيع الرقائق الإلكترونية الدقيقة“؛ وفقًا لموقع فيز دوت أوج.

وتبقى أسعار الأجهزة الإلكترونية المتوافرة في الأسواق حاليًا مقبولة إلى حد ما، لأن السيليكون المستخدم في صناعتها متوافر ومنخفض التكلفة، ومع أنه موصل جيد للكهرباء إلا أن ناقليته للحرارة ضعيفة عندما يكون بأحجام صغيرة، ما يضعنا أمام مشكلة عند تصنيع الرقائق الدقيقة المستخدمة في الحوسبة السريعة.

وفي كل رقاقة إلكترونية توجد مئات المليارات من النواقل السيليكونية التي توجه تدفق الإلكترونات من خلايا الذاكرة وإليها، من خلال ترميز البيانات على شكل 1 و 0، وتولد التيارات الكهربائية في النواقل الحرارة المنتقلة من الجسم الساخن نحو البارد عادة، لكن يختلف الوضع في السيليكون.

وقال جويل إيجر، الباحث المشارك في الدراسة، إن ”السيليكون الطبيعي يتكون من نظائر عدة؛ تختلف وفقًا لعدد النيوترونات في الذرات؛ وهي النظائر 28 و29 و30. وتنقل موجات ذرية تُدعى الفونونات الاهتزازات المسببة للحرارة، وعندما تعبر في البنية الكريستالية للسيليكون، يتغير اتجاهها باصطدامها بالنظائر 29 و30، ما يؤدي لعرقلتها وبطئها، إذ تنتقل إلى المناطق الأخرى الباردة من مادة السيليكون، ولكن التغيير يراكم حرارة ضائعة تبطئ الحاسوب“.

ولعقود عدة، رأى الباحثون أن الرقائق المصنوعة من النظير 28 النقي يمكن أن تساعدهم بتجاوز مشكلة التوصيل الحراري، ومن ثم زيادة سرعة المعالجة، وتصغير الرقائق الإلكترونية، ولكن تنقية السيليكون تحتاج لطاقة عالية جدًا لا تمتلكها سوى منشآت قليلة.

ولكن العالِم إيجر نجح مع زميله الخبير يوجين هولر، في العام 2000، في تنقية اليسليكون، وفي تجارب لاحقة شكلوا كريستلات من السيليكون 28 ذات توصيل حراري أعلى بحوالي 10% من السيليكون الطبيعي واستخدمها في الحوسبة الكمومية.

أرق من شعرة الإنسان

ومن وجهة نظر صناعية، لا يكفي هذا التطور لتبرير صرف آلاف أضعاف التكلفة لصناعة حاسوب من السيليكون النقي.

وبعد حفظ السيليكون النقي في مختبر بيركلي لأعوام، أعاد فريق الباحث جنكياو ومقارنة التوصيل الحراري للسيليكون 28 النقي بالسيليكون الطبيعي، وتأكد من أن النظير 28 يحسن من الناقلية الحرارية بنسبة 10% فقط.

ثم أجرى الباحثون تجربة النانو باستخدام تقنية الحك غير الإلكتروني، وصنعوا أسلاكًا نانوية من السيليكون 28 النقي والسيليكون الطبيعي أرق بألف مرة من شعرة الإنسان.

وأوصل الباحثون الأسلاك بين سطحين لمراقبة الناقلية الحرارية بينهما، من خلال توليد تيار كهربائي، واستخدام مقياس حراري.

وتوقع الباحثون أن الأسلاك ستوصل الحرارة بنسبة أعلى قليلًا بما يقارب 20%، لكنهم تفاجأوا بأن الأسلاك نقلت الحرارة بكفاءة وصلت إلى 150% مقارنة بأسلاك السيليكون الطبيعي.

والغريب في الأمر أن الأسلاك النانوية سيئة التوصيل الحراري، فقاموا باستخدام مجاهر إلكترونية عالية الدقة لتلتقط صورًا بمساعدة المتخصصين من جامعة رايس الأمريكية، ليكتشفوا وجود طبقة تشبه الزجاج من ثنائي أكسيد السيليكون على سطح الأسلاك النانوية.

وأظهرت تجارب محاكاة حاسوبية في جامعة ماساتشوستس آمهيرست الأمريكية أن غياب نظائر السيليكون 29 و30 يمنع الفونونات من الوصول إلى سطح السلك النانوي الذي يعرقل من حركتها، ويقلل من الناقلية الحرارية.

ويخطط الفريق حاليًا للانتقال بتقنيتهم إلى مرحلة جديدة، للوصول إلى التحكم بانتقال الحرارة عوضًا عن قياسها فقط.