Phương pháp làm mát 3D mới sử dụng nước sôi để tăng hiệu suất thiết bị điện tử gấp 7 lần

Bình Minh
21/04/2025 20:35
D

Phương pháp làm mát mới sử dụng nước sôi, tăng hiệu suất thiết bị điện tử gấp 7 lần nhờ kênh vi lưu 3D và cấu trúc mao dẫn. Tiết kiệm năng lượng, ứng dụng đa dạng.

Các nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học Công nghiệp thuộc Đại học Tokyo vừa phát triển một phương pháp làm mát đột phá, sử dụng nước sôi để nâng cao hiệu suất của các vi mạch điện tử. Công nghệ này, được công bố trên tạp chí Cell Reports Physical Science, kết hợp các kênh vi lưu 3D và cấu trúc mao dẫn, mang lại khả năng tản nhiệt vượt trội, mở ra con đường cho những tiến bộ trong ngành điện tử và công nghệ bền vững.

Phương pháp làm mát 3D mới sử dụng nước sôi: Tăng hiệu suất điện tử gấp 7 lần
Hình ảnh minh họa của một vi mạch. Ảnh: Freepik

Thách thức nhiệt độ trong kỷ nguyên vi mạch siêu nhỏ

Trong nhiều thập kỷ, Định luật Moore đã thúc đẩy sự phát triển không ngừng của ngành công nghiệp điện tử, với các vi mạch ngày càng nhỏ gọn và mạnh mẽ hơn. Tuy nhiên, sự thu nhỏ này kéo theo một vấn đề lớn: nhiệt độ. Khi các thành phần điện tử được nén chặt trong không gian nhỏ hơn, lượng nhiệt sinh ra tăng lên đáng kể, khiến các phương pháp làm mát truyền thống bị đẩy đến giới hạn. Nếu không được kiểm soát, nhiệt độ cao có thể làm giảm hiệu suất, rút ngắn tuổi thọ thiết bị và thậm chí gây hỏng hóc.

Hiện nay, một trong những giải pháp làm mát hiệu quả là sử dụng các kênh vi lưu tích hợp trong vi mạch để lưu thông nước và loại bỏ nhiệt. Tuy nhiên, phương pháp này bị giới hạn bởi nhiệt dung riêng của nước, năng lượng mà nước có thể hấp thụ để tăng nhiệt độ mà không chuyển pha. Ngược lại, nhiệt ẩn năng lượng được hấp thụ khi nước sôi hoặc bay hơi cao gấp khoảng 7 lần, mở ra tiềm năng làm mát vượt trội hơn nhiều.

Làm mát hai pha: Tận dụng sức mạnh của nước sôi

Nhận thấy tiềm năng của nhiệt ẩn, các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã phát triển một hệ thống làm mát hai pha, khai thác quá trình chuyển pha của nước từ lỏng sang hơi để nâng cao hiệu quả tản nhiệt. Khi nước sôi, nó không chỉ hấp thụ nhiệt để tăng nhiệt độ mà còn lấy đi một lượng nhiệt lớn trong quá trình bay hơi, mang lại khả năng làm mát vượt xa các phương pháp dựa trên nhiệt dung riêng.

Tuy nhiên, việc quản lý dòng chảy của bọt khí sinh ra sau khi nước sôi là một thách thức lớn. Nếu không được kiểm soát, bọt khí có thể làm tắc nghẽn các kênh vi lưu, làm giảm hiệu suất làm mát. Vì vậy, để tối ưu hóa truyền nhiệt, các yếu tố như thiết kế kênh vi lưu, kiểm soát dòng chảy hai pha và giảm thiểu lực cản dòng chảy cần được xem xét kỹ lưỡng.

Hệ thống làm mát 3D: Sự kết hợp hoàn hảo giữa kỹ thuật và sáng tạo

Điểm nổi bật của nghiên cứu này là hệ thống làm mát nước tiên tiến, tích hợp ba thành phần chính:

Kênh vi lưu 3D: Điều hướng dòng chảy của chất làm mát một cách chính xác, tăng cường khả năng tản nhiệt.

Cấu trúc mao dẫn: Quản lý hiệu quả dòng chảy của nước và bọt khí, ngăn ngừa tắc nghẽn.

Lớp phân phối manifold: Đảm bảo chất làm mát được phân bố đều khắp hệ thống, tối ưu hóa hiệu suất.

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm nhiều hình dạng mao dẫn khác nhau để đánh giá hiệu quả dưới các điều kiện vận hành đa dạng. Kết quả cho thấy, thiết kế của kênh vi lưu và kênh manifold ảnh hưởng lớn đến hiệu suất nhiệt và thủy lực của hệ thống. Đặc biệt, hệ số hiệu suất (COP), tỷ lệ giữa công suất làm mát hữu ích và năng lượng đầu vào đạt mức ấn tượng 105, vượt xa các phương pháp làm mát truyền thống. Điều này chứng minh rằng hệ thống không chỉ hiệu quả hơn mà còn tiết kiệm năng lượng đáng kể.

Hoạt động thụ động: Bước tiến hướng tới hiệu quả và bền vững

Một ưu điểm nổi bật khác của công nghệ này là khả năng hoạt động thụ động. Bằng cách tận dụng sự thay đổi pha của nước để tản nhiệt thông qua đối lưu tự nhiên, hệ thống có thể vận hành mà không cần bơm cơ học. Điều này không chỉ giảm năng lượng tiêu thụ mà còn đơn giản hóa thiết kế, mở ra tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.

Ngoài việc nâng cao hiệu suất cho các vi mạch điện tử, công nghệ này còn có thể được áp dụng trong:

  • Hệ thống laser và photodetector.
  • Đèn LED và radar.
  • Ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ.

Với khả năng quản lý nhiệt độ hiệu quả, các thiết bị này có thể hoạt động ở công suất cao hơn mà không lo quá nhiệt, từ đó kéo dài tuổi thọ và cải thiện độ tin cậy.

Tầm nhìn cho tương lai: Hiệu suất cao và công nghệ xanh

Khi các thiết bị điện tử ngày càng nhỏ gọn và mạnh mẽ, nhu cầu về giải pháp làm mát tiên tiến trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Nghiên cứu này không chỉ giải quyết vấn đề nhiệt độ mà còn đóng góp vào mục tiêu trung hòa carbon thông qua quản lý nhiệt hiệu quả. Bằng cách giảm năng lượng cần thiết cho làm mát, hệ thống giúp các thiết bị hoạt động bền vững hơn, phù hợp với xu hướng công nghệ xanh của thế kỷ 21.

Các nhà khoa học tin rằng thiết kế này sẽ tạo nền tảng cho việc quản lý nhiệt trong các thiết bị điện tử công suất cao, từ điện thoại thông minh đến siêu máy tính. Khi công nghệ tiếp tục phát triển, giải pháp làm mát hiệu quả sẽ là yếu tố then chốt để duy trì đà tiến bộ của ngành điện tử.

Phương pháp làm mát 3D sử dụng nước sôi là minh chứng cho sự sáng tạo trong việc giải quyết một trong những thách thức lớn nhất của công nghệ hiện đại. Bằng cách kết hợp các kênh vi lưu 3D, cấu trúc mao dẫn và nhiệt ẩn của nước, các nhà nghiên cứu đã đạt được hiệu suất làm mát gấp 7 lần so với phương pháp truyền thống. Đây không chỉ là bước tiến kỹ thuật mà còn là tiền đề cho sự phát triển của các thiết bị điện tử mạnh mẽ, bền vững hơn trong tương lai.

Có thể bạn muốn biết Nhiệt ẩn và làm mát hai pha là gì?

1. Nhiệt ẩn (Latent Heat): "Năng lượng ẩn" trong quá trình sôi và bay hơi

Theo NASA và Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE), nhiệt ẩn là năng lượng cần để một chất chuyển pha (ví dụ: từ lỏng sang khí) mà không thay đổi nhiệt độ.

Ví dụ dễ hiểu: Khi đun nước, nhiệt độ tăng dần (nhiệt dung riêng). Nhưng khi nước sôi ở 100°C, nhiệt độ không tăng thêm dù tiếp tục đun. Năng lượng lúc này được dùng để phá liên kết phân tử, chuyển nước thành hơi, đó là nhiệt ẩn.

So sánh: Nhiệt ẩn khi nước bay hơi (~2.260 kJ/kg) gấp 7 lần nhiệt dung riêng (~4,18 kJ/kg°C). Điều này có nghĩa là quá trình bay hơi hấp thụ nhiệt gấp 7 lần so với chỉ làm nóng nước.

2. Làm mát hai pha (Two-Phase Cooling): Tận dụng sức mạnh của nước sôi

Theo Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và Intel, làm mát hai pha sử dụng cả pha lỏng và pha khí để tản nhiệt hiệu quả hơn so với làm mát bằng chất lỏng thông thường.

Cơ chế đơn giản:

  • Nước hấp thụ nhiệt từ vi mạch, sôi lên và tạo bọt khí.
  • Bọt khí mang nhiệt đi xa, ngưng tụ lại thành lỏng ở bộ tản nhiệt, hoàn thành chu trình.

Ưu điểm:

  • Hiệu quả gấp 7 lần nhờ tận dụng cả nhiệt dung riêng và nhiệt ẩn.
  • Tiết kiệm năng lượng vì có thể hoạt động thụ động (dùng mao dẫn thay bơm).

Ứng dụng thực tế:

  • Tủ lạnh và điều hòa: Chất làm lạnh bay hơi, hấp thụ nhiệt ẩn để làm mát nhanh.
  • Chip điện tử: Công nghệ của Đại học Tokyo kiểm soát bọt khí trong kênh vi lưu, giúp CPU mát hơn so với quạt gió hay nước thông thường.

Hiểu đơn giản: Làm mát hai pha giống như vi mạch "đổ mồ hôi", nước sôi, bay hơi và mang nhiệt đi xa, giúp thiết bị hoạt động mát mẻ và bền bỉ hơn.

(Nguồn: NASA Climate Kids, DOE Office of Science, MIT News, Intel Cooling Technologies)

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng

Bình luận

Tối thiểu 10 chữ Tiếng việt có dấu Không chứa liên kết

Gửi bình luận

Tin cùng chuyên mục

Tin mới cập nhật

Tin đọc nhiều

Trung Quốc phát minh ăng-ten siêu mỏng cho máy bay tàng hình

Trung Quốc phát minh ăng-ten siêu mỏng cho máy bay tàng hình

Công nghệ lượng tử của Toshiba thay đổi ngành viễn thông

Công nghệ lượng tử của Toshiba thay đổi ngành viễn thông

Phương pháp 'chia tách' đưa các vệ tinh công suất thấp vào kỷ nguyên 5G

Phương pháp 'chia tách' đưa các vệ tinh công suất thấp vào kỷ nguyên 5G

Cần định danh rõ vai trò tạp chí khoa học

Cần định danh rõ vai trò tạp chí khoa học

Pin EV mới: Sạc đầy trong 20 phút, chấm dứt nỗi lo về phạm vi hoạt động

Pin EV mới: Sạc đầy trong 20 phút, chấm dứt nỗi lo về phạm vi hoạt động

Công nghệ ARIS: Giải pháp mới trong mạng CR-NOMA giúp tăng hiệu suất truyền thông không dây

Công nghệ ARIS: Giải pháp mới trong mạng CR-NOMA giúp tăng hiệu suất truyền thông không dây

Nghiên cứu mới: 'Bức tường' ảnh hưởng thế nào đến hiệu năng người dùng trong mạng không dây

Nghiên cứu mới: 'Bức tường' ảnh hưởng thế nào đến hiệu năng người dùng trong mạng không dây

Dinh dưỡng trong trứng gà sống và trứng gà chín là như nhau

Dinh dưỡng trong trứng gà sống và trứng gà chín là như nhau

Cây cầu từ thời La Mã cổ đại bất ngờ xuất hiện trên sông Tiber tại Ý

Cây cầu từ thời La Mã cổ đại bất ngờ xuất hiện trên sông Tiber tại Ý

Loại virus mới thống trị các đại dương trên khắp thế giới

Loại virus mới thống trị các đại dương trên khắp thế giới

Video xem nhiều

Ford F-150 Lightning 2022 ra mắt: Bán tải chạy điện giá khởi điểm chưa đến 40 nghìn USD

Ford F-150 Lightning 2022 ra mắt: Bán tải chạy điện giá khởi điểm chưa đến 40 nghìn USD

Isuzu Mu-X 2021 hoàn toàn mới: Thiết kế hiện đại và đầy công nghệ

Isuzu Mu-X 2021 hoàn toàn mới: Thiết kế hiện đại và đầy công nghệ

Honda MSX 125 Grom 2021 mẫu xe côn tay phiên bản đường đua

Honda MSX 125 Grom 2021 mẫu xe côn tay phiên bản đường đua

Thông điệp lan tỏa mùa dịch COVID-19

Thông điệp lan tỏa mùa dịch COVID-19

Clip: Khuyến cáo đối với người lao động, người làm việc, người bán hàng tại khu dịch vụ trong dịch Covid-19

Clip: Khuyến cáo đối với người lao động, người làm việc, người bán hàng tại khu dịch vụ trong dịch Covid-19

Geneva Motor Show 2020: Bentley hé lộ siêu xe Bacalar triệu đô

Geneva Motor Show 2020: Bentley hé lộ siêu xe Bacalar triệu đô

Cỗ xe lai phản lực tăng tốc từ 0 - 1010 km/h trong 50 giây tham vọng phá kỷ lục thế giới

Cỗ xe lai phản lực tăng tốc từ 0 - 1010 km/h trong 50 giây tham vọng phá kỷ lục thế giới

“Rắn tiên tri” dự đoán đội tuyển Việt Nam thắng Thái Lan

“Rắn tiên tri” dự đoán đội tuyển Việt Nam thắng Thái Lan

Làm thế nào để nâng cao tương tác giữa loa và phòng nghe hiệu quả

Làm thế nào để nâng cao tương tác giữa loa và phòng nghe hiệu quả

Trực tiếp: Apple ra mắt Iphone 11 tại Cupertino, California, Mỹ

Trực tiếp: Apple ra mắt Iphone 11 tại Cupertino, California, Mỹ

Những gì bạn muốn biết về 5G

Những gì bạn muốn biết về 5G

5G thay đổi tương lai của bạn như thế nào?

5G thay đổi tương lai của bạn như thế nào?

Bàn về tầm nhìn và các trụ cột của công nghệ thông tin di động 6G
04/03/2022
Chip xử lý A15 Bionic của Apple có gì mới
15/09/2021
Sex Education mùa 3 được Netflix công chiếu vào 17/9
14/09/2021
iPhone 13 không thay đổi nhiều về ngoại hình, camera được nâng cấp mạnh
13/09/2021
Cách xem trực tiếp sự kiện ra mắt iPhone 13 và Apple Watch 7
10/09/2021
VNEID của Bộ Công an khác các ứng dụng đang được vận hành?
10/09/2021
'Cái tôi' thời 4.0 và tính hai mặt của mạng xã hội
04/09/2021
'Muôn màu' cảm xúc của trẻ trong ngày khai giảng online
24/08/2021
Chủ tịch Chu Ngọc Anh giải toả 'ách tắc' về Giấy đi đường cho người dân Thủ đô
10/08/2021
Hàng loạt Macbook M1 tự dưng vỡ màn hình, Apple có đồng ý bảo hành?
02/08/2021
6 bộ phim hay nhất để xem trên VieON
29/01/2021
Bắc Ninh: Không ký kết triển khai dự án Owifi 5G với CSE Singapore
27/06/2020
Bị World Bank cấm dự thầu 7 năm, công ty Sao Bắc Đẩu thừa nhận sai sót
27/06/2020
Wefinex - Mô hình hoạt động đa cấp "đội lốt" đầu tài chính trên mạng internet
10/06/2020
Khai trừ MISA khỏi Câu lạc bộ Chữ ký số và Giao dịch điện tử Việt Nam
27/05/2020
Chuyển đổi số - Nên hiểu như thế nào cho đúng
25/05/2020
Chống thất thu thuế là thách thức lớn đối với nền kinh tế số
29/04/2020
Cách chuyển tập tin sang máy tính mới
10/11/2019
VNPT, MobiFone, VTC sẽ hoàn thành cổ phần hóa trước năm 2021
20/08/2019
5G thay đổi tương lai của bạn như thế nào?
26/07/2019
Nhận diện hành vi lừa đảo trên không gian mạng
25/07/2019
Truyền hình OTT - Hướng đi mới của các “nhà Đài”
24/07/2019