Ученые разработали новый термоматериал с тепловым сопротивлением на 72% ниже лучших жидких металлов

Если есть одна тема, которая способна вызвать ожесточенные споры среди энтузиастов ПК, то это термопаста. От того, сколько ее использовать, до способа нанесения — у каждого свой взгляд на правильные методы. Однако команда инженеров из Техаса утверждает, что нашла лучший ответ на этот вопрос, создав новую коллоидную жидкость на основе жидкого металла.

Обычная термопаста — это коллоид (жидкость с взвешенными твердыми частицами), в котором крошечные зерна оксида алюминия или цинка смешаны с силиконом. Такого состава достаточно для большинства пользователей, но в последние годы так называемые жидкие металлы стали предпочтительным вариантом для высокоэффективного охлаждения.

Как следует из названия, это металлический сплав, обычно эвтектическая смесь галлия, индия и олова (GaInSn). Некоторые жидкие металлы также являются коллоидами с добавлением микроскопических частиц меди для еще более низкого теплового сопротивления.

Однако команда материаловедов и инженеров из Техасского университета разработала новую смесь, которая превосходит существующие аналоги. Этот коллоид жидкого металла состоит из того же сплава GaInSn (хотя также подходят другие сплавы галлия) и частиц нитрида алюминия.

Однако вместо того чтобы просто смешать все компоненты, команда применила более сложный процесс. По данным в приложении к исследовательской статье, они использовали механохимический метод, который заставил жидкий металл проникнуть в кристаллическую решетку керамических частиц, создавая эффективные связи.

Коллоидные [жидкие металлы, ЖМ], использованные в исследовании, были синтезированы механохимическим методом, при котором значительная сила способствовала проникновению ЖМ в решетку керамических частиц, создавая прочные связи путем координации незаполненных орбиталей атомов металла с неподеленными электронными парами атомов азота в AlN [нитрид алюминия].

Результат этого "механохимического" воздействия — новый термокомпаунд с гораздо более низким тепловым сопротивлением, чем у лучших жидких металлов, доступных на рынке, на 72% ниже в сравнении с тестируемыми аналогами. Правда, цель создания этого материала не связана с геймерскими ПК, а скорее направлена на большие центры обработки данных.

Потребление энергии на охлаждение энергоемких центров обработки данных и других крупных электронных систем стремительно растет. Этот тренд вряд ли изменится, поэтому важно разрабатывать новые подходы, такие как наш материал, для эффективного и устойчивого охлаждения устройств, работающих на уровне киловатт и выше.

— профессор Гуйхуа Юй из Техасского института материаловедения

Скорость охлаждения зависит от двух факторов: разницы температур между горячим объектом и охладителем и уровня сопротивления тепловому потоку между ними. Если сопротивление высоко, температура охладителя должна быть ниже, чтобы обеспечивать нужный уровень теплоотвода. Уменьшение теплового сопротивления позволяет снизить затраты на охлаждение.

Для центров обработки данных это означает, что можно сократить энергозатраты на перекачку хладагента, и команда оценивает, что их новый термокомпаунд может снизить потребление энергии до 5%. Хотя это кажется незначительным, при масштабировании на всю отрасль такие энергосбережения могут быть очень даже значительными.

На данный момент материал не производится в промышленных масштабах, но исследователи оценили, что себестоимость коллоида Galinstan/AIN может составлять всего около 50 центов за грамм.