Металлорганические каркасы для охлаждения электроники

Инженеры пытаются выяснить, как использовать физические свойства испарения в процессе охлаждения электронных устройств. Был изучен ряд пористых материалов, способных поглощать влагу из воздуха и производить водяной пар при нагреве

В статье, опубликованной в журнале Joule, группа исследователей  из Шанхайского университета транспорта (Шанхайского университет Цзяотун) описывает разработанное ими покрытие, которое производит водяной пар для отвода тепла от устройств, для которых, из-за их небольших размеров, использование вентиляторов для охлаждения имеет определенные трудности.

«Развитие микроэлектроники предъявляет высокие требования к эффективным методам управления температурой, потому что все компоненты плотно упакованы, а чипы могут сильно нагреваться», - говорит инженер по холодильной технике и ведущий автор исследования.

Некоторые производители для охлаждения, например, компонентов телефонов используют материалы с фазовым переходом (PCM), такие как воск и жирные кислоты. Они поглощают тепло, выделяемое устройствами, когда плавятся.

Однако, говорят исследователи, в этом случае общее количество энергии, участвущей в теплообмене при преобразовании твердого тела в жидкость, остается относительно низким. Напротив, при испарении воды теплообмен может быть выше в 10 раз.

Был изучен ряд пористых материалов, способных поглощать влагу из воздуха и производить водяной пар при нагреве. В этом плане металлоорганические каркасы (MOF) оказались наиболее перспективным решением, поскольку они способны вмещать внутри себя большое количество воды и, таким образом, при нагреве отводить больше тепла.

Инженерами было продемонстрировано пассивное управление температурой через процесс десорбции воды внутри сорбентов. Адсорбция в режиме покоя позволяет охлаждающему материалу восстанавливать свою работоспособность самопроизвольно.

Был выбран тип MOF в виде порошка под названием MIL-101 (Cr), обладающий хорошей водопоглощающей способностью и высокой чувствительностью к изменениям температуры. Было испытано три варианта толщины порошка, нанесенного на алюминиевую подложку.

Непокрытый порошкообразным MOF при нагреве лист достиг отметки в 60 градусов Цельсия за 5,2 минуты, самое тонкое покрытие увеличило это значение до 11,7 минут, а самое толстое - до 19,35.

«В дополнение к эффективному охлаждению, MIL-101 (Cr) может быстро самовосстанавливаться, поглощая влагу после устранения источника тепла».

«Ранее исследователи пытались использовать MOF для извлечения воды из засушливого воздуха пустыни». «Однако, такие материалы стоят все еще очень дорого, поэтому их масштабное использование в этих целях не практично».

«Исследование показывает, что охлаждение электронных устройств - это хорошее применение MOF на практике. В проводимом эксперименте было использовано менее 0,3 грамма материала, и эффект охлаждения оказался значительным».

«Этот метод хорошо подходит для устройств, работающих с высокой нагрузкой периодически, таких как телефоны, зарядные устройства или телекоммуникационные станции».

При испытании на охлаждающих радиаторах чипов микрокомпьютерных устройств покрытие снижало температуру устройств на 7 градусов за 15 минут при пиковой нагрузке.