Dalam panasnya byte: Desain dapat mengurangi panas berlebih, meningkatkan kinerja elektronik lunak
Physics

Dalam panasnya byte: Desain dapat mengurangi panas berlebih, meningkatkan kinerja elektronik lunak

Bagi sebagian orang, penyebutan logam cair saja dapat memunculkan visi T-1000: penjahat yang berubah bentuk, hampir tak terkalahkan yang membangkitkan semangat penyelamat masa depan umat manusia di “Terminator 2.”

Tetapi bagi Eric Markvicka dari Universitas Nebraska–Lincoln dan rekan-rekannya, tetesan barang muncul sebagai protagonis dalam upaya untuk menghilangkan panas — dan mencegah panas berlebih — dalam teknologi yang dapat dipakai, robotika lunak, dan aplikasi mikroelektronik lainnya.

“Ketika daya komputasi meningkat, disipasi termal menjadi faktor yang semakin penting,” kata Markvicka, asisten profesor teknik mesin dan material.

Render tetesan logam cair yang tertanam dalam bahan silikon (kiri) dan bola mikroskopis dari kaca berongga yang tertutup dalam tetesan logam cair itu (kanan). Kredit gambar: Scott Schrage | Komunikasi UNL

Tidak membantu? Fakta bahwa banyak perangkat wearable dan teknologi pintar lainnya menggabungkan bahan elastis dan lunak yang mengurangi berat badan dan meningkatkan kenyamanan, tetapi juga menahan panas. Untuk mengatasi masalah ini, Markvicka dan insinyur lainnya telah mencoba memuat bahan isolasi dengan tetesan logam cair yang secara alami menghantarkan panas dan akibatnya dapat membawanya menjauh dari mikroelektronika yang menghasilkannya.

Pendekatannya berhasil, sampai titik tertentu. Namun pada saat itu muncul kesadaran yang serius: Meskipun tetesan logam cair memang meningkatkan konduktivitas termal, kerapatannya — dan jumlah yang dibutuhkan untuk benar-benar meningkatkan konduktivitas itu — juga dapat menambah jumlah bobot yang tidak praktis.

Tarik-menarik antara konduktivitas termal dan kepadatan telah membuat para insinyur terhenti. Tetapi dalam sebuah studi baru, tim Markvicka telah menunjukkan bahwa menyematkan bahan silikon dengan tetesan berbasis galium – dan, yang terpenting, menyematkan tetesan tersebut dengan bola mikroskopis dari kaca berongga – sebagian besar dapat mempertahankan peningkatan pembuangan panas tanpa mengorbankan kelenturan bahan yang ringan.

“Ini masih lunak dan kenyal tetapi memiliki konduktivitas termal yang mendekati (dari) beberapa logam kaku, seperti titanium atau baja tahan karat, dengan sekitar setengah kepadatan logam tersebut,” kata Markvicka. “Kombinasi properti ini membuat bahan menjadi unik dan menarik.”

Saat bereksperimen dengan mikrosfer kaca, para peneliti menguji versi silikon yang tetesan logam cairnya menampung berbagai volume kaca berongga, dari 0% hingga 50%. Peningkatan 50% dalam volume menyebabkan penurunan 35% dalam kepadatan keseluruhan material dan hanya penurunan 14% dalam konduktivitas termal, yang terakhir sudah dimulai dari dasar yang lebih tinggi daripada silikon yang tidak memiliki logam cair.

Pencapaian itu sendiri sudah cukup untuk membuat para insinyur merayakannya. Markvicka, penasihat doktoral Ethan Krings dan rekan-rekan mereka belum selesai. Dengan bantuan pekerjaan pemodelan sebelumnya, tim Nebraska kemudian mengembangkan apa yang digambarkan Markvicka sebagai “peta kontur” untuk memandu penjahitan bahan lunak masa depan yang mengandalkan pendekatan boneka bersarang tim Rusia.

Dalam mengembangkan peta, tim memformalkan apa yang diungkapkan oleh eksperimennya: bahwa rekayasa yang cermat dapat melepaskan sifat-sifat polimer yang biasanya terjalin, memberikan perintah yang tak tertandingi atas kinerja material.

Satu sumbu peta menjelaskan volume tetesan logam cair dalam suatu material; sumbu lainnya mengkuantifikasi volume mikrosfer kaca dalam tetesan. Memodifikasi volume mikrosfer kaca saja, peta menunjukkan, dapat mengubah kepadatan material sementara meninggalkan konduktivitas termal hampir sepenuhnya tidak berubah. Memodifikasi rasio kaca dan logam cair, sementara itu, dapat mengubah konduktivitas termal tanpa mempengaruhi densitas.

Garis yang menunjukkan volume proporsional dari logam cair dan kaca yang akan mempertahankan konduktivitas termal konstan (hitam) dan kerapatan konstan (putih) dalam material komposit lunak. Kredit gambar: Kecil / John Wiley & Sons

“Jadi kami dapat menunjukkan bahwa kami sekarang dapat mengontrol konduktivitas dan kepadatan termal secara mandiri dalam komposit ini, yang belum pernah ditunjukkan sebelumnya,” kata Markvicka, yang timnya merinci bukti konsepnya di jurnal Small.

Para peneliti selanjutnya menunjukkan kontrol itu dengan membuat beberapa versi silikon dari Nebraska N universitas. Setiap versi memiliki kepadatan yang berbeda, sebagaimana dibuktikan oleh fakta bahwa yang terpadat tenggelam ke dasar silinder berisi cairan, yang paling padat mengapung di atas, dan versi yang cukup padat melayang di antara keduanya. Meskipun densitasnya berbeda-beda, N’s menghamburkan panas pada kecepatan yang kira-kira sama ketika listrik dialirkan melalui elemen pemanas yang ditanamkan di masing-masingnya.

Markvicka melihat banyak sekali cara agar bahan yang lembut namun konduktif termal dapat bermanfaat bagi teknologi yang sedang berkembang. Sebagai permulaan, katanya, ini dapat membantu mengurangi keterbatasan pada daya komputasi mikroelektronika yang dipadatkan ke dalam teknologi yang dapat dipakai, memuluskan jalur ke perangkat yang lebih cepat dengan lebih banyak fungsionalitas.

Insinyur teknologi digital skala besar, termasuk komputer dan konsol game, mungkin juga merasa berguna saat membuat apa yang disebut bahan antarmuka yang membawa panas dalam jumlah besar dari, katakanlah, prosesor ke cairan pendingin. Konsol PlayStation 5, misalnya, sudah menggunakan logam cair untuk tujuan itu.

Di luar itu terletak aplikasi yang jelas dalam pakaian termoregulasi, kata Markvicka, yang dapat memantau suhu kulit pemakainya, kemudian memasok atau menghilangkan panas yang sesuai.

“Banyak perusahaan alat besar memiliki jaket dan perlengkapan berpemanas ini untuk membantu pekerja tetap hangat di lingkungan yang dingin,” katanya. “Bahan ini dapat berfungsi sebagai penyebar panas pasif untuk mencapai pemanasan yang lebih seragam di seluruh jaket dan menghilangkan titik panas, tanpa membatasi gerakan pemakainya.

“Apa pun yang berinteraksi dengan tubuh manusia, mungkin ada aplikasi untuk bahan ini.”

Sumber: Universitas Nebraska-Lincoln



Posted By : hk prize