熱は最新の電子機器にとって大敵です。エラーを引き起こしたり、コンポーネントを揚げたりする可能性があります。しかし現在、科学者たちは、電気の代わりに熱で動くデバイスを作成することで、熱を有利に利用しています。この進歩は、体温や周囲からのその他の廃熱を利用する熱計算機につながる可能性があります。
熱流とは、単純に、より高温の物体からより低温の物体へのエネルギーの流れです。金属パイプの一方の端を加熱すると想像してください。熱は熱い端から冷たい端に流れ、パイプに沿ったすべてのポイントで温度が低下します。物理的に言えば、「均一な温度勾配」があります。パイプはあらゆる場所とあらゆる方向に同じ量の熱を伝導するため、熱はこの単純な経路をたどります。
しかし、材料はそれほど単純に熱を伝導する必要はありません。熱を伝導する素材と断熱する素材のシートを交互に積み重ねると、熱は上から下の方向よりも横方向に伝導しやすくなります。電気技師はこの原理に精通しています。これは、最も一般的な電気部品の 1 つである抵抗器を、直列に配線した場合よりも並列に配線した場合に伝導性を高めるのと同じ原理です。新しい研究の突破口は、熱伝導が横または上から下だけでなく、全体的に変化する方向になるように複合材料を調整することです。 「熱流は、電流と同様に、操作、制御、および処理できる媒体と見なす必要があります」と、ハーバード大学の物理学者で研究著者のユキ・サトウは言います。
佐藤とハーバード大学の同僚である Supradeep Narayana の最も単純なデモンストレーションは、熱シールドです。これは、特定の領域からの熱流を排除するデバイスです。これは C サイズのバッテリーとほぼ同じ大きさのシリンダーで構成されており、天然ゴムと窒化ホウ素を注入したシリコン エラストマーの同心円状の層が 40 層交互に配置されています。研究者はデバイスを導電性ゼリーのブロックに入れ、片面を暖かく、もう片面を冷たく保ちました。シールドがなければ、パイプの例のように、熱は均一な温度勾配でゼリーを通って流れます。しかし、研究者が赤外線カメラで温度勾配を上から見たとき、彼らのシールドは外側のゼリーの流れに影響を与えることなく、内側の領域からの熱流をほぼ完全に排除することがわかりました.
ハーバードのペアは、さらにいくつかのトリックを実行しました。 1つは、シールドの同心構造を、掃除機のブラシのように外側に広がった、より大きな交互層に交換した.この装置は熱流を集中させ、暖かいものから冷たいものへの温度勾配全体が、ゼリー全体に均一に広がるのではなく、内部の小さな領域に集中するようにしました。次に、佐藤と Narayana は、その層がねじれたモップのように巻き付くようにデバイスを修正しました。驚くべきことに、この「インバーター」は内側の熱流を180°反転させ、外側のゼリーとは逆に流れました。この調査結果は、Physical Review Letters に掲載される予定です。 .
「これは興味深いテーマです」と、カリフォルニア大学バークレー校の物理学者であるアレックス・ゼットルは言います。 「熱流の操作はあまり研究されておらず、活用もされていません。…とはいえ、熱流を計算やその他のアプリケーションにうまく利用できる状況はありそうです。」
異なる入力に基づいて切り替えるトランジスタなどのデバイスを必要とする計算は、大きな一歩となるでしょう。しかし、それほど大きな一歩ではないと佐藤氏は説明します。導電率が温度に依存する材料はすでに存在します。そのような材料が研究者のインバーターで使用された場合、デバイスは周囲が十分に暖かい場合にのみ熱流を回避します。これが熱計算の基礎になると佐藤は言う。
サーマル コンピューターは、原則として、ワープロやインターネット サーフィンなど、通常のコンピューターと同じタスクに使用できると、復旦大学 (中国、上海) の物理学者 Jiping Huang は述べています。しかし、サーマル コンピューターは省エネルギーであることでメリットが得られます。環境内の廃熱 (人体によって生成された熱であっても) を排出できるからです。
ただし、実際にはハードルがあることを Huang 氏は強調します。電気とは異なり、熱は伝導、対流、放射の 3 つのプロセスによって伝達されます。これは、物理学者が不要な熱の影響を制限する方法を学ばなければならないことを意味します。 「夢はとても素晴らしいものですが、現実はとても残酷です」とフアンは言います。
