新系统设计了以特定方式导热的纳米材料

计算机芯片中装有数十亿个微型晶体管，这些晶体管能够进行强大的计算，但也会产生大量热量。热量的积累会降低计算机处理器的速度，使其效率和可靠性降低。工程师使用散热器来保持芯片冷却，有时还使用风扇或液体冷却系统;然而，这些方法通常需要大量的能量来操作。

麻省理工学院的研究人员采取了不同的方法。他们开发了一种算法和软件系统，可以自动设计一种能够以特定方式传导热量的纳米级材料，例如仅在一个方向上传导热量。

因为这些材料的测量单位是纳米(一根人的头发大约有80,000纳米宽)，所以它们可以用于计算机芯片，由于材料的几何形状，它们可以自行散热。

研究人员通过采用传统上用于开发大型结构的计算技术开发他们的系统，并对其进行调整以创建具有确定热特性的纳米级材料。

他们设计了一种可以沿首选方向传导热量的材料(一种称为热各向异性的效应)，以及一种可以有效地将热量转化为电能的材料。他们正在使用后一种设计在MIT.nano制造用于废热回收的纳米结构硅器件。

科学家们通常结合猜测和反复试验来优化纳米材料的导热能力。相反，有人可以将所需的热特性输入到他们的软件系统中，并获得可以实现这些特性并且可以实际制造的设计。

除了制造可以散热的计算机芯片外，该技术还可用于开发能够有效地将热量转化为电能的材料，即热电材料。例如，这些材料可以捕获火箭发动机的废热，并用它来帮助为航天器提供动力，主要作者、麻省理工学院士兵纳米技术研究所的研究科学家、麻省理工学院-IBM沃森人工智能实验室的成员朱塞佩罗马诺解释说。

麻省理工学院电子研究实验室纳米结构和计算小组负责人、应用数学和物理学教授、资深作者史蒂文约翰逊说：“这里的目标是设计这些纳米结构材料，这些材料的热量传输方式与任何天然材料都截然不同。”“但问题是，你如何尽可能有效地做到这一点，而不是仅仅根据直觉尝试一堆不同的东西?朱塞佩应用计算设计让计算机探索许多可能的形状，并得出具有最好的热性能。”

他们的研究论文今天发表在《结构和多学科优化》上。

控制振动

半导体中的热量通过振动传播。分子在加热时振动得更快，导致附近的分子群开始振动，依此类推，就像一群球迷在棒球比赛中做“挥手”一样，热量通过材料移动。在原子尺度上，这些振动波被捕获到离散的能量包中，称为声子。

研究人员希望创造出能够以非常特殊的方式控制热传递的纳米级材料，例如在水平方向传导更多热量而在垂直方向传导更少热量的材料。为此，他们需要控制声子如何穿过材料。

他们关注的材料被称为周期性纳米结构，由具有任意形状的结构晶格制成。改变这些结构的尺寸或排列可能会极大地改变整个系统的热性能。

原则上，研究人员可以使这些结构的某些部分过于狭窄，声子无法通过，从而控制热量如何通过材料。但是实际上存在无限的配置，因此仅凭直觉弄清楚如何为某些特定的热特性安排它们将是非常困难的。

“相反，我们借用了一种传统上为桥梁等结构开发的计算技术。想象一下，我们将一种材料转换成一张图片，然后我们找到了能够为我们提供规定属性的最佳像素分布，”罗马诺说。

使用这种计算技术，算法需要确定是否在图像中的每个像素处放置一个孔。

“因为有数百万像素，如果你只尝试每一个，就有太多的可能性来模拟。你必须优化它的方法是从一些猜测开始，然后以一种不断变形结构的方式进化它让它变得越来越好，”约翰逊解释道。

但是这种优化是很难用纳米材料实现的。

一方面，热传输的物理特性在纳米尺度上表现不同，因此通常的方程不起作用。此外，声子运动的建模特别复杂。必须知道它们在三维空间中的位置，以及它们移动的速度和方向。

驯服复杂的方程

研究人员设计了一种新技术，称为传输插值法，使这些非常复杂的方程能够以算法可以处理的方式运行。使用这种方法，计算机可以平滑且连续地变形材料分布，直到达到所需的热特性，而不是一次尝试每个像素。

该团队还创建了一个开源软件系统和一个网络应用程序，使用户能够输入所需的热特性并接收可制造的纳米级材料结构。通过使系统开源，研究人员希望激励其他科学家为这一研究领域做出贡献。

有了这个新工具，研究人员正在探索可以使用该系统优化的其他材料，例如金属合金，这可能为新应用打开大门。他们还在研究优化三个维度的热导率的方法，而不仅仅是水平和垂直。

“据我所知，Romano和Johnson的论文是最早使用声子Boltzmann传输模型对纳米级传热进行拓扑优化材料设计的论文之一。他们方法的技术新颖性主要在于巧妙地集成了传输使用玻尔兹曼输运模型的插值方法，以便计算设计目标函数相对于材料结构的梯度，”哥伦比亚大学应用数学教授KuiRen说，他没有参与这项工作。

“这个想法非常新颖和普遍，我可以想象这个想法很快就会被用于具有更复杂热传递模型的拓扑设计目标，以及许多其他热传递应用领域。”