Mikroskop Baru Memantau Aliran Panas pada Skala Nanos untuk Teknologi Lebih Hijau

A sekumpulan ilmuwan dari DTU, Technion, dan Universitas Antwerp memperkenalkan jenis mikroskop baru yang dirancang untuk menangkap difusivitas termal. Perangkat ini dapat memungkinkan insinyur memperoleh pemahaman yang lebih dalam tentang bagaimana elektron mentransfer panas melalui material tertentu, membuka peluang bagi komponen berperforma tinggi di berbagai industri. Berikut yang perlu Anda ketahui.

Memahami Difusivitas Termal dalam Material

Kemampuan difusi termal suatu benda sangat bergantung pada komposisi dan strukturnya. Memungkinkan penentuan sifat-sifat ini merupakan aspek utama dalam merancang perangkat yang handal dan aman. Hal ini dapat memerlukan pemantauan aspek kunci seperti hubungan dispersi elektron, massa atom, kekuatan ikatan, konsentrasi muatan, dan mobilitas, yang semuanya berperan penting dalam persamaan. Selain itu, ketika membahas permukaan pada skala nano, ukuran butir kristal, bentuk, dan batas butir (GB) harus diperiksa.

Bagaimana Aliran Panas Berbeda Berdasarkan Struktur Material

Saat Anda meninjau semua faktor yang diperlukan untuk memprediksi difusi panas secara akurat, ada dua hal utama yang perlu dipertimbangkan. Apakah benda mengalami aliran panas yang seragam, artinya suhu meningkat merata di seluruh permukaannya, atau apakah benda tidak seragam? Yang terakhir berarti difusivitas termal dapat bervariasi tergantung pada arah alirannya sepanjang orientasi kristalografis. Jenis material ini memberikan peluang unik bagi insinyur yang dapat memanfaatkan aliran panas arah tertentu untuk meningkatkan kinerja produk.

Tantangan dalam Mengukur Aliran Panas Anisotropik

Ada beberapa masalah saat memantau difusi panas. Hingga saat ini, belum ada cara yang dapat diandalkan untuk menentukan tensor difusivitas termal anisotropik dalam struktur sistem polikristalin secara akurat. Masalah ini mencerminkan pemahaman ilmuwan yang terbatas tentang fenomena skala nano ini. Selain itu, metode saat ini tidak dapat diandalkan dan dapat merusak sampel. Situasi ini menghasilkan akurasi yang berkurang, serta proses penyiapan yang lambat. Untungnya, situasi ini akan berubah.

Di Balik Penelitian Mikroskop Difusivitas Termal

Tim insinyur internasional telah bergabung untuk mengatasi masalah ini. Studi¹ “Mikroskop difusivitas termal: Memperbesar transportasi panas anisotropik,” yang dipublikasikan di Science Advances, memperkenalkan metode baru untuk secara andal merekam pengukuran lokal beresolusi tinggi dari difusivitas termal anisotropik. Penemuan mereka, mikroskop difusivitas termal, berpotensi membuka pintu bagi tingkat baru dalam rekayasa dan ilmu material.

Sumber – DTU

Apa Itu Mikroskop Difusivitas Termal?

Konsep mikroskop difusivitas termal mengambil ide dari sistem otomatis CAPRES microRSP dan menggabungkannya dengan peningkatan yang memperkuat kemampuan pengukuran aliran panas. Perangkat baru ini dilengkapi dengan probe empat titik proprietari yang memberikan pengukuran lebih cepat dan lebih akurat.

Pengaturan Cepat dan Desain Tanpa Kalibrasi

Tim mencatat bahwa perangkat dapat dipasang dan tidak memerlukan kalibrasi di antara setiap pembacaan. Selain itu, sampel memerlukan persiapan minimal, mengurangi beban kerja dan risiko kontaminasi. Secara khusus, sistem ini memberikan pengukuran difusivitas termal anisotropik yang akurat dengan memanfaatkan data yang dikumpulkan dari relai termal yang terletak pada satu pemanas.

Mengintegrasikan Efek Cold Finger dalam Studi Panas

Isu lain yang ditangani insinyur adalah efek “cold finger”. Cold finger mengacu pada alat laboratorium yang menyerupai silinder logam. Alat ini dirancang untuk menurunkan suhu benda dan membantu proses seperti destilasi. Alat ini umum digunakan, namun efeknya belum pernah diintegrasikan ke dalam studi difusi termal hingga kini.

Menguji Mikroskop dengan Material Nyata

Tim melakukan beberapa percobaan untuk menguji teori mereka. Mereka memilih dua material yang dikenal karena kemampuan termalnya – Bi2Te3 (bismut tellurida) dan Sb2Te3 (antimoni tellurida). Kedua material ini memiliki konduksi tinggi dan sifat termal yang menjadikannya ideal untuk penggunaan pada skala nano. Selain itu, material ini memiliki struktur kristal berlapis rhombohedral yang ditumpuk oleh gaya van der Waals lemah sepanjang sumbu c, memperkuat sifat transportasi anisotropinya.
Untuk memulai, sampel dipanaskan terlebih dahulu sebelum insinyur secara acak memetakan area 300 μm×400 μm dengan ukuran langkah 5 μm. Mikrograf optik ini menampilkan detail penting seperti butir dan orientasi probe. Hal ini membantu insinyur melihat perubahan difusivitas termal berdasarkan orientasi butir.

Temuan Utama dari Pengujian Mikroskop Difusivitas Termal

Pengujian mikroskop difusivitas termal mengungkapkan bahwa insinyur benar dalam model mereka. Perangkat berhasil memberikan pengukuran beresolusi tinggi pada skala nano. Pengukuran tersebut memungkinkan insinyur mengamati aliran panas secara real time, sehingga mereka dapat menentukan faktor kunci tentang material yang diuji, termasuk bagaimana kontribusi kisi sangat penting bagi transportasi panas pada kedua arah.

Manfaat Mikroskop Difusivitas Termal bagi Insinyur

Ada banyak manfaat yang dibawa mikroskop difusivitas termal ke pasar. Pertama, ia akan membantu insinyur menciptakan perangkat elektronik dan sistem energi yang lebih kuat dan lebih aman. Mereka dapat menguji material baru pada skala nano dan melihat secara tepat kapan dan di mana titik kegagalan terjadi.

Pengaturan Ramah Pengguna dan Non-Destruktif

Sistem mikroskop difusivitas termal membutuhkan pekerjaan jauh lebih sedikit dibandingkan metode sebelumnya. Tidak perlu menyiapkan sampel, yang merupakan proses memakan waktu dan presisi yang sering menyebabkan sampel rusak. Tim mencatat bahwa mereka dapat memperoleh pengukuran terperinci dan dipetakan dalam waktu kurang dari satu menit.

Aplikasi Dunia Nyata dan Jadwal Peluncuran

Daftar aplikasi untuk teknologi ini hampir tak terbatas. Difusivitas termal berada di inti sebagian besar pengembangan teknologi tinggi. Semua mulai dari komputer pribadi Anda hingga pesawat luar angkasa memerlukan sistem manajemen panas. Perangkat ini akan memungkinkan insinyur menciptakan pelapis termal, elektronik, dan perangkat termoelektrik yang lebih kuat dan mampu. Berikut beberapa aplikasi utama untuk teknologi ini.

Komputer Lebih Cepat

Mikroskop difusivitas termal akan membantu membuat komputer yang lebih baik. Perangkat Anda mengalami penurunan kinerja ketika terpapar suhu tinggi dalam waktu lama. Menjaga PC tetap lebih dingin akan memungkinkan insinyur menciptakan perangkat yang lebih kuat dan lebih kecil.

Panel Surya

Sektor lain di mana teknologi ini dapat bersinar adalah industri surya. Setiap perangkat yang perlu menangkap sinar matahari harus memiliki difusivitas termal yang sangat baik. Insinyur akan dapat mendorong batas teknologi ini ke tingkat baru dengan menciptakan opsi yang lebih efisien dalam mengelola panas dan beroperasi lebih dingin, mengurangi kehilangan energi yang tidak disengaja akibat pengelolaan panas yang buruk.

Jadwal Mikroskop Difusivitas Termal

Mikroskop difusivitas termal sudah beroperasi. Namun, mungkin diperlukan beberapa tahun sebelum perangkat ini dapat sampai ke pelanggan komersial. Untuk saat ini, perangkat akan menjalani lebih banyak eksperimen dan pengujian. Dalam 3-5 tahun ke depan, unit ini dapat dikomersialkan dan menjadi alat yang kuat bagi produsen, personel keamanan, dan insinyur.

Peneliti Mikroskop Difusivitas Termal

Studi mikroskop difusivitas termal merupakan upaya kolaboratif oleh insinyur dari DTU, Technion, dan Universitas Antwerp. Makalah tersebut mencantumkan Neetu Lamba, Braulio Beltrán-Pitarch, Tianbo Yu, Dirch Hjorth Petersen, Muhamed Dawod, Alex Berner, Benny Guralnik, Andrey Orekhov, Nicolas Gauquelin, Yaron Amouyal, Johan Verbeeck, Ole Hansen, dan Nini Pryds sebagai penulis yang berkontribusi. Studi ini menerima dukungan keuangan dari berbagai hibah, termasuk hibah Independent Research Fund Denmark, hibah Innovation Fund Denmark, hibah perjalanan EliteForsk, dan banyak lagi.

Apa Selanjutnya untuk Mikroskop Difusivitas Termal

Masa depan mikroskop difusivitas termal sangat menjanjikan. Teknologi ini dapat diterapkan di berbagai industri dan akan berdampak langsung pada segala hal mulai dari jam tangan pintar Anda hingga kendaraan listrik berikutnya. Penelitian ini dapat membuka pintu bagi insinyur untuk memperoleh pemahaman yang lebih dalam tentang sifat termal dan memperluas ilmu material.

Berinvestasi di Pasar Pelapisan Thermal Spray

Ada banyak perusahaan di industri pelapisan termal yang dapat memperoleh manfaat dari penelitian ini. Secara khusus, pasar diperkirakan akan mencapai $20,83 miliar pada tahun 2030, mendorong permintaan akan inovasi dan produk yang lebih baik. Berikut satu perusahaan yang terus menarik perhatian investor karena produk dan model bisnisnya.

Applied Materials

Applied Materials (AMAT ) adalah perusahaan fabrikasi wafer yang berbasis di Santa Clara, California. Perusahaan ini didirikan pada tahun 1967 oleh Michael A. McNeilly, Herbert Dwight Jr., Walter Benzing, dan James Bagley. Tujuan mereka adalah menyediakan sistem chemical vapor deposition (CVD) yang handal khusus dirancang untuk fabrikasi wafer semikonduktor.

Sejak diluncurkan, Applied Materials telah berkembang menjadi produsen peralatan semikonduktor terbesar di dunia. Pada tahun 1993, perusahaan ini menjadi yang pertama mencapai pendapatan tahunan $1 miliar dalam industri wafer. Saat ini, perusahaan beroperasi di beberapa sektor canggih, menawarkan portofolio lengkap sistem rapid thermal processing (RTP) dan anneal di pasar.

Applied Materials memiliki pusat riset di India dan Israel sebagai bagian dari strategi pertumbuhannya. Secara khusus, analis memperkirakan bahwa Applied Materials akan mengalami pertumbuhan seiring meningkatnya permintaan akan produknya bersamaan dengan kebutuhan komputer yang lebih kuat untuk menangani adopsi sistem AI global. Oleh karena itu, mereka yang ingin terpapar pada sektor pelapisan termal sebaiknya melakukan riset lebih lanjut tentang AMAT.

Pemikiran Akhir: Memberdayakan Teknologi Generasi Berikutnya

Mikroskop difusivitas termal akan membuka pintu bagi teknologi yang lebih maju dalam beberapa tahun mendatang. Perangkat ini akan mengalami beberapa iterasi, menjadikannya lebih kecil dan lebih mudah diakses oleh insinyur serta bisnis. Perubahan ini akan membantu mendorong adopsi, menghasilkan pelapis panas, elektronik, dan lain-lain yang lebih canggih. Semua faktor ini mencerminkan potensi revolusioner dari studi mikroskop difusivitas termal.

Pelajari terobosan ilmiah lainnya di sini.

Studi yang Dirujuk:

^{1. Lamba, N., Beltrán-Pitarch, B., Yu, T., Dawod, M., Berner, A., Guralnik, B., Orekhov, A., Gauquelin, N., Amouyal, Y., Verbeeck, J., Hansen, O., Pryds, N., & Petersen, D. H. (2025). Mikroskop difusivitas termal: Memperbesar transportasi panas anisotropik. Science Advances, 11(8), eads6538. https://doi.org/10.1126/sciadv.ads6538}