Công nghệ làm mát mới có thể cách mạng hóa xe điện
(CLO) Tinh thể hBN giúp truyền nhiệt nhanh gấp hàng nghìn lần, mở ra kỷ nguyên làm mát siêu tốc cho xe điện và thiết bị số.
Nhiệt độ cao là một trong những yếu tố gây hại lớn đối với các linh kiện điện tử tinh vi, đặc biệt là pin và các bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền động của xe điện hiện nay.
Để kiểm soát lượng nhiệt phát sinh trong quá trình vận hành, các mẫu ôtô điện hiện đại thường được trang bị nhiều bộ tản nhiệt cùng hệ thống ống dẫn phức tạp, giúp làm mát hiệu quả và đồng thời hỗ trợ sưởi ấm khoang nội thất khi thời tiết lạnh.
Tuy nhiên, các nhà khoa học tại Đại học Virginia (Hoa Kỳ) mới đây đã phát hiện ra một hướng đi hoàn toàn khác biệt trong việc kiểm soát nhiệt. Phát minh này cho phép truyền nhiệt theo cách tương tự như ánh sáng di chuyển trong không gian, một điều từng được xem là không thể xảy ra trong vật liệu rắn.
Tinh thể nitride bo lục giác: vật liệu mở ra đột phá
Theo công bố trên tạp chí Nature Materials và được dẫn lại bởi Phys.org, chìa khóa của phương pháp mới nằm ở việc sử dụng tinh thể nitride bo lục giác (hexagonal boron nitride - hBN), một loại vật liệu có cấu trúc đặc biệt và khả năng dẫn nhiệt vượt trội.
Khác với phương pháp truyền nhiệt lan tỏa theo dạng sóng nhỏ, vật liệu này có thể dẫn nhiệt thành một luồng tập trung, di chuyển nhanh và hiệu quả hơn đáng kể.
Với đặc tính độc đáo, hBN mở ra khả năng nâng cao hiệu suất và độ bền của nhiều thiết bị điện tử, từ điện thoại thông minh, máy tính hiệu năng cao đến các thiết bị y tế và xe điện. Trong tương lai, xe điện có thể được hưởng lợi rõ rệt với tầm hoạt động xa hơn, thời gian sạc nhanh hơn và tuổi thọ pin cao hơn.
Thông thường, khi các thiết bị điện tử hoạt động cường độ cao như chơi game đồ họa nặng, gọi video liên tục hoặc sạc nhanh bằng dòng điện một chiều, các linh kiện sẽ nhanh chóng nóng lên. Khi nhiệt tích tụ quá mức, hiệu năng thiết bị có thể giảm sút và về lâu dài, hiện tượng này sẽ ảnh hưởng đến độ bền của các linh kiện bên trong.
Hiện nay, các hệ thống làm mát phổ biến sử dụng quạt gió, bộ tản nhiệt hoặc giải pháp làm mát bằng chất lỏng.
Tuy nhiên, các phương pháp này có giới hạn về tốc độ phản ứng. Nhóm nghiên cứu tại Đại học Virginia đã chuyển sang một hướng tiếp cận mới, thay vì sử dụng các dao động nhiệt truyền thống (phonon), họ khai thác hiện tượng vật lý gọi là "polariton phonon hyperbolic", viết tắt là HPhP.
Truyền nhiệt nhanh và chính xác hơn
Bài viết của Phys.org mô tả rằng, trong các hệ thống truyền nhiệt thông thường, nhiệt lan tỏa giống như gợn sóng trên mặt nước và sẽ yếu dần khi di chuyển ra xa trung tâm phát nhiệt. Tuy nhiên, với cơ chế mới, năng lượng nhiệt được tập trung lại thành những sóng chặt chẽ và có thể truyền đi rất xa với độ chính xác cao.
Để chứng minh cơ chế này, các nhà khoa học đã làm nóng một tấm vàng nhỏ đặt trên bề mặt tinh thể hBN. Nhiệt năng tại điểm tiếp xúc được chuyển hóa ngay lập tức thành các sóng polariton có tốc độ cao, giúp truyền nhiệt đi xa khỏi bề mặt tiếp xúc giữa vàng và hBN chỉ trong một khoảnh khắc.
Theo giải thích của nhóm nghiên cứu, các electron mang nhiệt tại điểm tiếp xúc không truyền qua cơ chế phonon như thường thấy, mà phát xạ trực tiếp vào các sóng HPhP trong môi trường gần. Nhờ đó, tốc độ truyền nhiệt trong vật liệu rắn được nâng lên gấp nhiều lần so với phương pháp truyền thống.
Ứng dụng rộng rãi và nhiều tiềm năng
“Kết quả đo lường của chúng tôi cho thấy các electron nóng khi tiếp xúc với bề mặt vật liệu có thể phát xạ trực tiếp vào sóng HPhP của hBN trong vùng lân cận, bỏ qua cơ chế truyền nhiệt theo dạng phonon thông thường”, nhóm nghiên cứu viết trong tạp chí Nature Materials. “Sự liên kết nhiệt kiểu mới này giúp tăng tốc độ truyền nhiệt vượt xa giới hạn mà các phương pháp khuếch tán thông thường có thể đạt được”.
Nghiên cứu sinh tiến sĩ Will Hutchins, thuộc nhóm nghiên cứu và là tác giả chính của bài báo, chia sẻ: “Chúng tôi đang chứng kiến một cách hoàn toàn mới để kiểm soát nhiệt độ trong vật liệu rắn ở cấp độ nano. Điều này chưa từng xảy ra trước đây”.
Ông Hutchins cũng nhấn mạnh rằng phương pháp truyền nhiệt mới này có tốc độ rất nhanh và có thể mang lại đột phá lớn cho ngành thiết bị điện tử trong tương lai.
Mặc dù công nghệ này chưa được thương mại hóa, nhưng giới khoa học tin rằng nếu phát minh được đưa vào sản xuất đại trà, nó sẽ tạo ra bước tiến lớn trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là ngành công nghiệp xe điện.
Dũng Phan (Theo TopSpeed)