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

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.

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.

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng