Door de EU gefinancierde onderzoekers en partners verleggen de grenzen van de natuurwetten, het ontwikkelen van nanocomposietmaterialen en nano-elektronische circuits om de energie aanzienlijk te verbeteren, thermische en computerprestaties. Dit zou smartphones en andere elektronica efficiënter kunnen maken en het potentieel van zonne-energie kunnen vergroten.

In de wereld van vandaag, nanomaterialen spelen een cruciale rol bij de opkomst van intelligente apparaten en sensoren, slimme huizen, autonome apparaten, robotica, biotechnologie en geneeskunde.

Maar circuits zijn zo geminiaturiseerd en snel geworden dat ze de warmte die ontstaat bij het verwerken van informatie niet meer aankunnen.

"De standaard manieren om deze impasse te doorbreken, bijvoorbeeld door ofwel minder warmte te genereren of deze beter af te voeren, kunnen het tempo niet bijhouden, ", zegt Mimoun El Marssi van de Université de Picardie Jules Verne in Frankrijk.

El Marssi is de coördinator van het door de EU gefinancierde ENGIMA-project, die precies dit probleem aanpakt. Het richt zich op het efficiënt herverdelen van elektriciteit op minuscule schaal, het benutten van doorbraken in de nanotechnologie die nieuwe mogelijkheden en toepassingen openen die tot een paar jaar geleden voor onmogelijk werden gehouden.

Het onmogelijke mogelijk maken

Een grote uitdaging voor ENGIMA-onderzoekers is het zogenaamde Boltzmann-tirannieprobleem in nano-elektronica.

Het heeft betrekking op een van de meest elementaire concepten van elektriciteit:capaciteit, een hoeveelheid die aangeeft hoeveel lading er op een geleider moet worden geplaatst om een ​​bepaalde spanning te garanderen. De standaarddefinitie van het leerboek stelt dat de capaciteit altijd positief is. Daarom, hoe groter de spanning, hoe groter de opgeslagen lading, en, beurtelings, hoe meer warmte een apparaat genereert.

In een baanbrekende ontwikkeling, ENGIMA-onderzoekers in Frankrijk en Rusland, in samenwerking met Valerii Vinokur van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, ontwikkelden een permanente statische "negatieve condensator, " een apparaat dat tot ongeveer tien jaar geleden voor onmogelijk werd gehouden.

Eerder voorgestelde ontwerpen voor negatieve condensatoren werkten aan een tijdelijke, tijdelijke basis, maar de door ENGIMA ontwikkelde negatieve condensator is de eerste die werkt als een stationair omkeerbaar apparaat.

De voorgestelde aanpak maakt gebruik van eigenschappen van ferro-elektrische materialen, die spontane polarisatie bezitten die kan worden omgekeerd door een extern elektrisch veld. Het verhogen van de lading op de positieve condensator verhoogt de spanning. Het omgekeerde gebeurt met de negatieve condensator - de spanning daalt naarmate de lading toeneemt.

Door de twee condensatoren te koppelen, de spanning van de positieve condensator kan lokaal worden verhoogd tot een punt hoger dan de totale systeemspanning. Hierdoor kan elektriciteit worden gedistribueerd naar gebieden van het circuit die een hogere spanning vereisen, terwijl het hele circuit op een lagere spanning werkt.

Deze doorbraak zal de schakelenergie en bedrijfsspanning van elektronische apparaten helpen verminderen, waardoor warmteverliezen worden verminderd, merkt Igor Lukyanchuk op, ENGIMA's hoofdonderzoeker.

"Negatieve capaciteit is een van de belangrijkste recente ontwikkelingen bij het verminderen van het energieverbruik van nanocircuits en het oplossen van oververhittingsproblemen die de prestaties van conventionele computercircuits beperken, " zegt hij. "Voortbouwend op dit onderzoek, we ontwikkelen een praktisch platform voor het implementeren van ultra-low-power apparaten voor informatieverwerking."

Op weg naar slimme apparaten zonder batterij

In praktijk, dit zou betekenen dat uw smartphone, Internet of Things-apparaten en tal van andere elektronische systemen zullen veel energiezuiniger worden. In combinatie met andere werkzaamheden in het kader van ENGIMA, het zou onze ervaring met het benutten van energie radicaal kunnen veranderen, verbruik en opslag.

Voortbouwend op recente ontwikkelingen in fotovoltaïsche technologie en dunnefilmmaterialen voor de omzetting van zonne-energie, ENGIMA-onderzoeksteams in Frankrijk en Mexico ontwikkelen nieuwe multifunctionele superrooster-nanostructuren die nauwkeurig zijn afgestemd voor geoptimaliseerde ferro-elektrische, structurele en fotovoltaïsche reacties. Het werk belooft een efficiënte manier om nieuwe nanostructuren te ontwerpen voor toekomstige fotovoltaïsche materialen.

"Deze fotovoltaïsche systemen kunnen groene energiebronnen van de volgende generatie worden, net zo veilig, betrouwbaar, milieuvriendelijke vervangers voor batterijen in zelfaangedreven slimme systemen, ' Zegt El Marssi.

In de tussentijd, ENGIMA-onderzoekers in Slovenië, onder leiding van Zdravko Kutnjak aan het Jožef Stefan Instituut, onderzoeken andere manieren om de "Boltzmann-tirannie" te overwinnen. Ze maken gebruik van het zogenaamde elektrocalorische effect dat ervoor zorgt dat materialen een omkeerbare temperatuurverandering vertonen onder een aangelegd elektrisch veld. Het team toonde voor het eerst aan dat vloeibare kristallen kunnen worden gebruikt als elektrocalorische materialen met grote temperatuurveranderingen.

Ontwikkelingen op dit gebied hebben grote belangstelling gewekt van onderzoeks- en industriële gemeenschappen, omdat het suggereert dat koelers efficiënt in de chip worden geïntegreerd in nano-elektronische computercircuits, volgens Kutnjak.

"We verwachten dat de koeltemperatuur in prototypes van vloeibaar-kristalapparaten aanzienlijk zal worden verbeterd in vergelijking met solid-state systemen, "voegt hij eraan toe. "Bovendien, vloeibaar kristal materiaal kan in elke vorm worden gebruikt, en dergelijke apparaten zullen niet worden beïnvloed door vermoeidheidsproblemen veroorzaakt door het barsten van materialen."

De resultaten die voortkomen uit ENGIMA beloven belangrijke nieuwe kansen en mogelijkheden te openen voor hightechindustrieën, met name bij het aanpakken van het huidige energieverbruik en de oogstproblemen, met toepassingen op vele gebieden.

"Vanuit dit standpunt, ENGIMA kan de kwaliteit van leven en gezondheid van EU-burgers op lange termijn verbeteren. Bijvoorbeeld, door bij te dragen aan de ontwikkeling van verschillende slimme systemen, El Marssi zegt. "Het is ook de bedoeling dat ENGIMA zal bijdragen aan het opvullen van de leemte in onderzoeksactiviteiten naar de toepassing van multifunctionele nanomaterialen voor computer- en energieverbruikende technologieën tussen Europa en andere landen."