Calor desobedece teorias em escala nano

Por Inovação Tecnológica - 24/10/2014

Da microescala para baixo, o transporte do calor é feito balisticamente, e não por difusão.[Imagem: Richard Wilson/University of Illinois]

Que as coisas ficam diferentes quando nos aproximamos da escala atômica não é novidade para ninguém que já tenha ouvido falar em mecânica quântica.

Mas parece que até o bem-comportado calor assume outros ares em escalas menores.

Transporte balístico do calor

Richard Wilson e David Cahill, da Universidade de Illinois, nos Estados Unidos, descobriram que o calor não se dissipa em nanoescala como acontece em macroescala, e que as teorias tradicionais não conseguem explicar o que está acontecendo.

Os testes mostraram que a difusão do calor muda quando as dimensões do elemento a partir do qual o calor se dissipa têm um micrômetro (0,001 milímetro) ou menos.

Os experimentos com cristais semicondutores mostraram que, em escala submicrométrica, o calor não se espalha por difusão, mas balisticamente, de forma similar a partículas como fótons e elétrons.

Em outras palavras, as ondas vibracionais - os fônons - que viajam paralelamente à superfície do material não ajudam a esfriar as regiões quentes porque elas atravessam essas regiões sem interagir com elas.

"As interfaces entre os materiais complicam ainda mais o problema da transferência de calor ao adicionar resistências termais adicionais," acrescenta Wilson.

A descoberta, que agora exigirá a elaboração de novas teorias para compreensão precisa do fenômeno, tem impacto direto na microeletrônica, onde o calor é um problema crescente conforme os componentes se tornam menores.

Teoria de Fourier

"Descobrimos diferenças fundamentais na forma como o calor é transportado através de distâncias curtas ou longas. A teoria de Fourier, que assume que o calor é transportado por difusão, prevê que um cristal cúbico como o silício vai conduzir o calor igualmente bem em todas as direções. Demonstramos que em escalas muito curtas o calor não se dissipa igualmente bem em todas as direções," resume Wilson.

"Conforme o material se reduz, as leis que governam a transferência de calor também mudam," completa o professor David Cahill. "Nosso entendimento atual do transporte termal em nanoescala não tem as nuances suficientes para predizer quantitativamente quando a teoria padrão não irá funcionar."

Isto significa que, quando projetam componentes em nanoescala, os engenheiros não estão prevendo adequadamente como o calor irá se dissipar no interior dos processadores e demais circuitos integrados.

Bibliografia:

Anisotropic failure of Fourier theory in time-domain thermoreflectance experiments

R. B. Wilson, David G. Cahill

Nature Communications

Vol.: 5, Article number: 5075

DOI: 10.1038/ncomms6075

Texto e imagem extraídos do site Inovação Tecnológica