EU-finansierade forskare och partners tänjer på gränserna för fysikens lagar, utveckla nanokompositmaterial och nanoelektroniska kretsar för att avsevärt förbättra energi, termisk prestanda och datorprestanda. Detta kan göra smartphones och annan elektronik mer effektiv och öka potentialen för solenergi.

I dagens värld, nanomaterial spelar en avgörande roll i uppkomsten av intelligenta enheter och sensorer, smarta hem, autonoma enheter, robotik, bioteknik och medicin.

Men kretsar har blivit så miniatyriserade och snabba att de inte längre kan hantera värmen som genereras under informationsbearbetningen.

"De vanliga sätten att bryta detta dödläge, genom att antingen generera mindre värme eller ta bort den mer effektivt, lyckas inte hålla jämna steg, säger Mimoun El Marssi vid Université de Picardie Jules Verne i Frankrike.

El Marssi är koordinator för det EU-finansierade ENGIMA-projektet, som tar itu med just denna fråga. Den fokuserar på hur man kan omfördela el effektivt i minimal skala, utnyttja nanoteknologiska genombrott som öppnar upp för nya möjligheter och tillämpningar som ansågs omöjliga för bara några år sedan.

Att göra det omöjliga möjligt

En stor utmaning för ENGIMA-forskare är det så kallade Boltzmann-tyranniproblemet inom nanoelektronik.

Det relaterar till ett av de mest grundläggande begreppen elektricitet:kapacitans, en kvantitet som visar hur mycket laddning som behöver läggas på en ledare för att säkerställa en given spänning. Standarddefinitionen i läroboken säger att kapacitansen alltid är positiv. Därför, ju högre spänning, ju större lagrad laddning, och, i tur och ordning, desto mer värme genereras av en enhet.

I en banbrytande utveckling, ENGIMA-forskare i Frankrike och Ryssland som arbetar i samarbete med Valerii Vinokur från det amerikanska energidepartementets Argonne National Laboratory utvecklade en permanent statisk "negativ kondensator, " en enhet som ansågs omöjlig tills för ungefär ett decennium sedan.

Tidigare föreslagna konstruktioner för negativa kondensatorer arbetade på en tillfällig, transient basis men den ENGIMA-utvecklade negativa kondensatorn är den första som fungerar som en reversibel enhet i stationärt tillstånd.

Det föreslagna tillvägagångssättet utnyttjar egenskaperna hos ferroelektriska material, som har spontan polarisation som kan vändas av ett externt elektriskt fält. Att öka laddningen på den positiva kondensatorn ökar spänningen. Det omvända inträffar med den negativa kondensatorn - dess spänning sjunker när laddningen ökar.

Genom att para ihop de två kondensatorerna, spänningen på den positiva kondensatorn kan ökas lokalt till en punkt högre än den totala systemspänningen. Detta gör det möjligt att distribuera elektricitet till områden i kretsen som kräver högre spänning medan hela kretsen arbetar med en lägre spänning.

Detta genombrott kommer att bidra till att minska växlingsenergin och driftsspänningen för elektroniska enheter, på så sätt minska värmeförlusterna, konstaterar Igor Lukyanchuk, ENGIMAs ledande forskare.

"Negativ kapacitans är en av de viktigaste senaste utvecklingarna för att minska energiförbrukningen för nanokretsar och lösa överhettningsproblem som begränsar prestandan hos konventionella datorkretsar, " säger han. "Byggande på denna forskning, vi utvecklar en praktisk plattform för att implementera enheter med ultralåg effekt för informationsbehandling."

Mot batterilösa smarta enheter

I praktiken, detta skulle betyda din smartphone, Internet of Things-enheter och många andra elektroniska system kommer att bli mycket mer energieffektiva. I kombination med annat arbete som bedrivs inom ENGIMA, det kan radikalt förändra vår upplevelse av energiutnyttjande, förbrukning och lagring.

Bygger på de senaste framstegen inom fotovoltaisk teknik och tunnfilmsmaterial för solenergiomvandling, ENGIMA forskarlag i Frankrike och Mexiko utvecklar nya multifunktionella super-gitter nanostrukturer finjusterade för optimerad ferroelektrisk, strukturella och fotovoltaiska reaktioner. Arbetet lovar ett effektivt sätt att designa nya nanostrukturer för framtida solcellsmaterial.

"Dessa solcellssystem kan bli nästa generations gröna energikällor lika säkra, pålitlig, miljövänliga ersättningar för batterier i självdrivna smarta system, " säger El Marssi.

Under tiden, ENGIMA-forskare i Slovenien, ledd av Zdravko Kutnjak vid Jožef Stefan Institute, undersöker andra sätt att övervinna "Boltzmann-tyranni". De utnyttjar den så kallade elektrokaloriska effekten som gör att material visar en reversibel temperaturförändring under ett pålagt elektriskt fält. Teamet visade för första gången att flytande kristaller kan utnyttjas som elektrokaloriska material med stora temperaturförändringar.

Utvecklingen inom detta område har väckt stort intresse från forsknings- och industrisamhällen eftersom det föreslår effektiv in-chip-integrering av kylare i nanoelektroniska datorkretsar, enligt Kutnjak.

"Vi förväntar oss att kyltemperaturen i prototyper av flytande kristallenheter kommer att förbättras avsevärt jämfört med solid state-system, " tillägger han. "Dessutom, flytande kristallmaterial kan användas i vilken form som helst, och sådana anordningar kommer inte att påverkas av utmattningsproblem orsakade av sprickbildning i material."

Resultaten från ENGIMA lovar att öppna betydande nya möjligheter och möjligheter för högteknologiska industrier, särskilt när det gäller att ta itu med nuvarande energiförbrukning och skördefrågor, med tillämpningar inom många områden.

"Ur denna synvinkel, ENGIMA kan förbättra den långsiktiga livskvaliteten och hälsan för EU-medborgare. Till exempel, genom att bidra till utvecklingen av olika smarta system, " El Marssi säger. "Det är också tänkt att ENGIMA kommer att bidra till att fylla gapet i forskningsaktiviteten om tillämpningen av multifunktionella nanomaterial för datorer och energiförbrukande teknologier mellan Europa och andra länder."