Os pesquisadores estão usando cada vez mais estruturas em micro e nanoescala para um controle mais preciso do fluxo de calor em sistemas eletrônicos de potência extrema.
Estudar: Além do resfriamento convencional: micro/nanoestruturas avançadas para gerenciar fluxo de calor extremo. Crédito da imagem: panumas nikhomkhai/Shutterstock.com
Uma revisão recente em Materiais Avançados explora a melhoria do gerenciamento térmico em dispositivos eletrônicos de alto desempenho através do uso de micro e nanoestruturas. O estudo examina os desafios térmicos que acompanham o aumento das densidades de potência e a miniaturização de componentes.
A procura por uma gestão térmica eficiente aumentou substancialmente à medida que os dispositivos eletrónicos geram densidades de potência que se aproximam e, em alguns módulos de potência avançados, excedem os 1000 W cm-–2.
Os métodos convencionais de resfriamento, como o resfriamento a ar e água, são frequentemente inadequados devido à sua limitada capacidade de dissipação de calor. O resultado é o superaquecimento dos dispositivos e uma vida útil geral reduzida.
Por exemplo, o resfriamento a ar luta para exceder 500 W por chip, enquanto os sistemas à base de água exigem taxas de fluxo excepcionalmente altas para gerenciar o calor de maneira eficaz.
Estas questões intensificaram o interesse em micro e nanoestruturas, que, com seu pequeno tamanho e grande área superficial, entre outras propriedades, podem melhorar a capacidade de transferência de calor e a flexibilidade do projeto.
Quando integradas em chips, placas de circuito ou sistemas de resfriamento, as nano e microestruturas podem reduzir a resistência térmica e controlar com precisão a transferência de calor.
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Mecanismos de transferência de calor aprimorada
A revisão enfatizou a importância de projetos bioinspirados e de engenharia em nanoestruturas que podem melhorar o desempenho térmico.
Através de suas estruturas físicas dinâmicas, “metamateriais térmicos” micro e nanoestruturados podem direcionar o calor em direções preferidas. Ao fazer isso, eles habilitam ferramentas como diodos térmicos e outros dispositivos para controle direcional de calor.
As estratégias de resfriamento se beneficiam destas estruturas:
- Condução: Aprimorada por meio de materiais nanoestruturados que podem adaptar e, em alguns casos, aumentar significativamente a condutividade térmica e o transporte direcional de calor. Materiais como nanofitas de grafeno e os nanotubos de carbono exibem propriedades térmicas excepcionais e suportam a propagação de calor anisotrópica projetada.
- Convecção: Melhorada por designs de microcanais otimizados que melhoram o fluxo de fluido, transferindo efetivamente o calor de componentes críticos, incluindo designs hidrodinâmicos emergentes que manipulam caminhos de fluxo sem energia de bombeamento adicional.
- Transição de fase: Materiais que absorvem calor latente são cruciais para controlar o calor durante processos como fusão e vaporização, essenciais em aplicações de alto desempenho. Enquanto isso, superfícies micro e nanoestruturadas influenciam a dinâmica das bolhas e a absorção capilar, estabilizando e melhorando a ebulição e a evaporação.
- Radiação Térmica: Aumenta quando as superfícies são adaptadas com recursos especializados em micro e nanoescala, permitindo um melhor gerenciamento da perda de calor por radiação, incluindo emissores térmicos direcionais e não recíprocos para um resfriamento radiativo mais controlado.
Além disso, os pesquisadores discutiram os pontos fortes e as limitações dos métodos atuais de projeto e fabricação, destacando os desafios relacionados à escalabilidade, uniformidade e reprodutibilidade. Um foco principal foi a integração de estruturas em micro e nanoescala em materiais de interface térmica (TIMs) e dissipadores de calor, que são essenciais para um resfriamento eficaz.
Melhorias de desempenho por meio de um novo design de estrutura
A revisão demonstra que micro e nanoestruturas melhoram o gerenciamento térmico, melhorando a condutividade térmica e as taxas de transferência de calor, permitindo que os materiais projetados superem as alternativas convencionais.
Adicionar superfícies nanoestruturadas aos TIMs pode reduzir a resistência da interface térmica, melhorando o desempenho de resfriamento.
Projetos bioinspirados usam recursos hierárquicos e propriedades de superfície otimizadas para melhorar o fluxo de fluidos e reduzir a resistência térmica.
Por exemplo, superfícies inspiradas em folhas de lótus podem ajustar a molhabilidade e o comportamento do líquido, o que, nas condições certas, pode melhorar o desempenho do resfriamento de líquido, gerenciando como as gotículas ou filmes se formam e se separam.
No entanto, as limitações nas técnicas de fabricação existentes dificultam a adoção em larga escala, pois é difícil alcançar uniformidade e reprodutibilidade.
Aplicações de Micro/Nanoestruturas em Soluções de Refrigeração
Micro e nanoestruturas desempenham um papel importante no desenvolvimento de TIMs para transferência eficiente de calor entre componentes eletrônicos.
Os TIMs à base de steel líquido fornecem excelente condutividade térmica e são adequados para resfriamento de alto desempenho em aplicações com cargas térmicas significativas.
Materiais complementares de mudança de fase (PCMs) podem fornecer capacidades de absorção de calor da ordem de 300 kJ/kg, permitindo um amortecimento eficaz de picos térmicos transitórios.
Essas estruturas são integradas em dissipadores de calor e sistemas de resfriamento, onde projetos otimizados e modificações de superfície melhoram a dissipação de calor. Superfícies em micro e nanoescala podem melhorar os coeficientes de transferência de calor por convecção, essenciais para manter a confiabilidade e a vida útil de dispositivos que operam em altas densidades de potência.
Estruturas especialmente projetadas em micro e nanoescala também podem modificar o fluxo de fluidos. Ao afinar a camada limite ou orientar o fluxo de ar, eles podem fortalecer a transferência de calor por convecção, ajustando o fluxo geral.
Conclusão e direções futuras
As descobertas sugerem que micro e nanoestruturas podem melhorar substancialmente a eficiência do resfriamento, apoiando o desenvolvimento da próxima geração de dispositivos que podem operar sob cargas térmicas extremas.
Os trabalhos futuros devem centrar-se no desenvolvimento de novas estratégias de design e técnicas avançadas de fabrico para aproveitar plenamente os benefícios dos materiais micro e nanoestruturados, bem como na utilização de abordagens de design inverso assistidas por IA para melhorar estruturas complexas.
Os desafios futuros incluirão a melhoria das soluções de resfriamento no chip, a abordagem de problemas de corrosão, vazamento e custo em materiais de mudança de fase à base de steel líquido, bem como o desenvolvimento de superfícies de molhabilidade inteligentes que se adaptem às mudanças nas condições operacionais.
Com as preocupações em torno da gestão térmica de centros de dados e dispositivos, a integração de estruturas em micro e nanoescala em sistemas de gestão térmica poderá desempenhar um papel essential no desenvolvimento de electrónica de alto desempenho no futuro.
Referência do diário
Zhang, Y. e outros. (2025, novembro). Além do resfriamento convencional: micro/nanoestruturas avançadas para gerenciamento de fluxo de calor extremo. Materiais Avançados, e04706. DOI: 10.1002/adma.202504706