Инженеры сконструировали микроканалы, в которых жидкость управляемо двигается без помощи внешних насосов. Насосом служат сами стенки канала, на которых расположены микромоторы Януса, активация происходит при помощи ультрафиолета. В будущем это упростит создание чипов с микрофлюидным охлаждением, так как позволит обойтись без механических помп. Статья опубликована в ASC Nano.
В технике несколько столетий используют насосы самого разного устройства: поршень и клапаны, винт, разные виды турбин. Механизмы работы этих деталей отличаются, но один принцип неизменен: каждая из них — это движущееся твердое тело, которое передает движение окружающей жидкости. Механические детали могут быть маленькими, подобно часовым, но они никогда не приблизятся по размеру к внутренним элементам микроэлектроники, где счет идет на микроны и нанометры.
Между тем, перегрев — одна из ключевых проблем микроэлектроники. Эффективность водяного охлаждения можно сильно увеличить, если подводить его не к наружному теплообменнику микросхемы, а внутрь нее. Для этого инженеры пробуют протравливать в устройствах микроканалы, по которым помпой прокачивают жидкость. Однако, использовать внешнюю помпу неудобно: почти всегда она будет гораздо больше самого изделия, а механические детали шумят и склонны ломаться.
Тинтин Юй (Tingting Yu) из Института интеллектуальных систем Макса Планка и его коллеги придумали, как заставить жидкость двигаться вдоль микроканалов при помощи микромоторов Януса. Микромоторы Януса — это семейство двигателей, устройство которых принципиально отличается от механических насосов. В них нет движущихся частей, а поток создается химическим способом. Этих способов несколько, но в данном случае инженеры использовали самый простой — фотохимическое разложение воды.
Один бок столба диаметром два микрона и высотой полтора выполнили из диоксида титана, а второй — из золота. Под воздействием ультрафиолета вода в присутствии этой пары разлагается: у золотой стороны появляется водород, а у оксидной — кислород. Из-за наличия областей с разной концентрацией веществ вокруг столба возникают диффузиоосмотические потоки. Оказалось, что суммарный поток жидкости всегда направлен от оксида титана к золоту.
Далее ученые расположили ансамбль таких столбов на стенах микроканала, поместили частицы-трекеры и запустили в систему воду. После включения ультрафиолета трекеры, а значит, и вода, потекли по направлению золотых половин столбов. Если в канале столбы расположить не симметрично, а зеркально, золотыми сторонами в разные стороны, то поток становился разнонаправленным. Пиковая скорость движения составила четыре микрона в секунду, разница давления в 240-микронном канале была равна один микропаскаль на микрон.
Исследование носит в первую очередь фундаментальный характер. Химические микромоторы для жидкости конструировали в лабораториях и ранее, но создать направленный и управляемый поток было проблемой. Теперь инженерам предстоит выяснить точную причину, почему поток направлен от оксида титана к золоту, а также почему скорость потока сильно зависит от размера пробелов между столбами в микроканалах. В перспективе работы в этом направлении позволят создавать чипы с интегрированным жидкостным охлаждением, что откроет дорогу к дальнейшему увеличению их мощности и плотности элементов.
Микромоторы Януса хороши для гидросистем масштаба микрон и нанометров, но у них есть конкурент в виде молекулярных машин. Для более крупных каналов есть другой нетрадиционный вид насоса: подвижные реснички, аналогичные тем, что находятся в животном эпителии.
Василий Зайцев