Το Heat Trickery ανοίγει δρόμο για θερμικούς υπολογιστές
Η θερμότητα είναι ο μεγάλος εχθρός των σύγχρονων ηλεκτρονικών - μπορεί να προκαλέσει σφάλματα και να τηγανίσει εξαρτήματα. Αλλά τώρα οι επιστήμονες έχουν μετατρέψει τη θερμότητα προς όφελός τους δημιουργώντας συσκευές που λειτουργούν με θερμότητα αντί για ηλεκτρισμό. Η πρόοδος θα μπορούσε να οδηγήσει σε θερμικούς υπολογιστές που απορρίπτουν τη θερμότητα του σώματος ή άλλη σπατάλη θερμότητας από το περιβάλλον μας.
Ένα θερμικό ρεύμα είναι απλώς η ροή ενέργειας από ένα θερμότερο αντικείμενο σε ένα πιο κρύο αντικείμενο. Φανταστείτε να θερμαίνετε έναν μεταλλικό σωλήνα στο ένα άκρο:Η θερμότητα ρέει από το ζεστό άκρο στο κρύο άκρο και σε κάθε σημείο κατά μήκος του σωλήνα η θερμοκρασία μειώνεται. Με όρους φυσικής, υπάρχει μια «ομοιόμορφη κλίση θερμοκρασίας». Η θερμότητα παίρνει αυτή την απλή διαδρομή επειδή ο σωλήνας μεταφέρει την ίδια ποσότητα θερμότητας σε κάθε μέρος και προς κάθε κατεύθυνση.
Ωστόσο, τα υλικά δεν χρειάζεται να μεταφέρουν τη θερμότητα τόσο απλά. Εάν στοιβάζατε εναλλασσόμενα φύλλα από ένα υλικό που μεταφέρει τη θερμότητα και ένα άλλο που το μονώνει, η θερμότητα θα διοχετευόταν πιο ελεύθερα στο πλάι παρά στην κατεύθυνση από πάνω προς τα κάτω. Οι ηλεκτρολόγοι μηχανικοί είναι εξοικειωμένοι με αυτήν την αρχή:Είναι η ίδια που κάνει τις αντιστάσεις, ένα από τα πιο κοινά ηλεκτρικά εξαρτήματα, να αγώγουν περισσότερο όταν είναι καλωδιωμένες παράλληλα παρά όταν συνδέονται εν σειρά. Το επίτευγμα της νέας έρευνας είναι η προσαρμογή των σύνθετων υλικών έτσι ώστε η θερμική τους αγωγιμότητα να μην είναι μόνο από τη μια πλευρά στην άλλη ή από πάνω προς τα κάτω, αλλά σε μια κατεύθυνση που αλλάζει καθ' όλη τη διάρκεια. «Το θερμικό ρεύμα, όπως και το ηλεκτρικό ρεύμα, θα πρέπει να θεωρείται ως ένα μέσο που μπορεί να χειριστεί, να ελεγχθεί και να επεξεργαστεί», λέει ο συγγραφέας της μελέτης Yuki Sato, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ.
Η πιο απλή επίδειξη του Σάτο και του συναδέλφου από το Χάρβαρντ Supradeep Narayana είναι μια θερμική ασπίδα:μια συσκευή που αποκλείει ένα θερμικό ρεύμα από μια συγκεκριμένη περιοχή. Αποτελείται από έναν κύλινδρο, περίπου όσο μια μπαταρία μεγέθους C, που περιέχει 40 εναλλασσόμενα, ομόκεντρα στρώματα από φυσικό καουτσούκ και ελαστομερές σιλικόνης με έγχυση νιτριδίου βορίου. Οι ερευνητές έριξαν τη συσκευή σε ένα κομμάτι αγώγιμου ζελέ και κράτησαν τη μία πλευρά ζεστή και την άλλη κρύα. Χωρίς ασπίδα στη θέση του, η θερμότητα θα είχε ρέει μέσω του ζελέ σε μια ομοιόμορφη κλίση θερμοκρασίας, όπως στο παράδειγμα του σωλήνα. Ωστόσο, όταν οι ερευνητές είδαν τη διαβάθμιση θερμοκρασίας από ψηλά με μια κάμερα υπέρυθρης ακτινοβολίας, διαπίστωσαν ότι η ασπίδα τους απέκλειε σχεδόν πλήρως το ρεύμα θερμότητας από την περιοχή μέσα χωρίς να επηρεάζει τη ροή του στο εξωτερικό ζελέ.
Το ζευγάρι του Χάρβαρντ έκανε μερικά ακόμη κόλπα. Σε ένα, άλλαξαν την ομόκεντρη δομή της ασπίδας με μεγαλύτερα, εναλλασσόμενα στρώματα που απλώνονταν προς τα έξω σαν βούρτσα ηλεκτρικής σκούπας. Αυτή η συσκευή συγκέντρωσε το ρεύμα θερμότητας έτσι ώστε ολόκληρη η κλίση θερμοκρασίας από ζεστό προς κρύο, αντί να απλωθεί ομοιόμορφα σε όλη τη ζελατίνα, εστιάστηκε στη μικρή περιοχή μέσα. Στη συνέχεια, ο Σάτο και ο Ναραγιάνα τροποποίησαν τη συσκευή έτσι ώστε τα στρώματά της να τυλίγονται σαν μια στριμμένη σφουγγαρίστρα. Παραδόξως, αυτός ο "inverter" γύρισε το ρεύμα θερμότητας στο εσωτερικό κατά 180°, έτσι ώστε να ρέει με τον αντίθετο τρόπο από τον εξωτερικό ζελέ. Τα ευρήματα πρόκειται να δημοσιευθούν στο Physical Review Letters .
«Αυτό είναι ένα ενδιαφέρον θέμα», λέει ο Alex Zettl, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ. "Ο χειρισμός των ρευμάτων θερμότητας δεν έχει μελετηθεί πολύ ή δεν έχει αξιοποιηθεί πολύ. ... Ωστόσο, υπάρχουν πιθανές καταστάσεις όπου τα θερμικά ρεύματα μπορούν να αξιοποιηθούν με επιτυχία για υπολογισμούς και άλλες εφαρμογές."
Ο υπολογισμός, ο οποίος απαιτεί συσκευές όπως τα τρανζίστορ να αλλάζουν με βάση διαφορετικές εισόδους, θα ήταν ένα μεγάλο βήμα. Αλλά όχι πολύ μεγάλο βήμα, εξηγεί ο Sato. Υπάρχουν ήδη υλικά των οποίων η αγωγιμότητα εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Εάν χρησιμοποιούνταν τέτοια υλικά στον μετατροπέα των ερευνητών, η συσκευή θα εναλλάσσονταν γύρω από το ρεύμα θερμότητας μόνο εάν το περιβάλλον ήταν αρκετά ζεστό. Αυτό, λέει ο Sato, θα ήταν η βάση του θερμικού υπολογισμού.
Κατ 'αρχήν, ένας θερμικός υπολογιστής θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τις ίδιες εργασίες με έναν κανονικό υπολογιστή, όπως επεξεργασία κειμένου ή σερφάρισμα στο Διαδίκτυο, λέει ο Jiping Huang, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Fudan στη Σαγκάη της Κίνας. Αλλά ένας θερμικός υπολογιστής θα ωφεληθεί από την εξοικονόμηση ενέργειας, επειδή θα μπορούσε να εκκενώσει τη σπατάλη θερμότητας στο περιβάλλον - ακόμη και τη θερμότητα που παράγεται από το ανθρώπινο σώμα.
Ωστόσο, ο Huang τονίζει ότι υπάρχουν πρακτικά εμπόδια. Σε αντίθεση με τον ηλεκτρισμό, η θερμότητα μπορεί να μεταφερθεί με τρεις διαδικασίες:αγωγιμότητα, μεταφορά και ακτινοβολία. Αυτό σημαίνει ότι οι φυσικοί θα πρέπει να μάθουν πώς να περιορίζουν την επίδραση της ανεπιθύμητης θερμότητας. «Το όνειρο είναι πολύ λαμπρό», λέει ο Huang, «αλλά η πραγματικότητα είναι αρκετά σκληρή».
