Des chercheurs et partenaires financés par l'UE repoussent les limites des lois de la physique, développer des matériaux nanocomposites et des circuits nanoélectroniques pour améliorer considérablement l'énergie, performances thermiques et informatiques. Cela pourrait rendre les smartphones et autres appareils électroniques plus efficaces et augmenter le potentiel de l'énergie solaire.

Dans le monde d'aujourd'hui, les nanomatériaux jouent un rôle crucial dans l'émergence des dispositifs et capteurs intelligents, maisons intelligentes, appareils autonomes, robotique, biotechnologie et médecine.

Mais les circuits sont devenus tellement miniaturisés et rapides qu'ils ne peuvent plus gérer la chaleur générée lors du traitement de l'information.

"Les moyens classiques de sortir de cette impasse, par exemple en générant moins de chaleur ou en l'éliminant plus efficacement, ne parviennent pas à suivre le rythme, " dit Mimoun El Marssi de l'Université de Picardie Jules Verne en France.

El Marssi est le coordinateur du projet ENGIMA financé par l'UE, qui s'attaque précisément à cette question. Il se concentre sur la façon de redistribuer efficacement l'électricité à des échelles minuscules, exploiter les percées de la nanotechnologie qui ouvrent de nouvelles possibilités et applications que l'on croyait impossibles il y a quelques années à peine.

Rendre l'impossible possible

Un défi majeur auquel sont confrontés les chercheurs d'ENGIMA est le problème dit de la tyrannie de Boltzmann en nanoélectronique.

Il concerne l'un des concepts les plus élémentaires de l'électricité :la capacité, une quantité indiquant combien de charge doit être placée sur un conducteur afin d'assurer une tension donnée. La définition standard du manuel indique que la capacité est toujours positive. Par conséquent, plus la tension est élevée, plus la charge stockée est importante, et, à son tour, plus un appareil générera de chaleur.

Dans un développement révolutionnaire, Des chercheurs d'ENGIMA en France et en Russie travaillant en collaboration avec Valerii Vinokur du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie ont développé un "condensateur négatif" statique permanent, " un appareil que l'on croyait impossible jusqu'à il y a une dizaine d'années.

Les conceptions précédemment proposées pour les condensateurs négatifs fonctionnaient de manière temporaire, base transitoire, mais le condensateur négatif développé par ENGIMA est le premier à fonctionner comme un dispositif réversible en régime permanent.

L'approche proposée exploite les propriétés des matériaux ferroélectriques, qui possèdent une polarisation spontanée qui peut être inversée par un champ électrique externe. L'augmentation de la charge sur le condensateur positif augmente la tension. L'inverse se produit avec le condensateur négatif - sa tension chute à mesure que la charge augmente.

En associant les deux condensateurs, la tension du condensateur positif peut être augmentée localement jusqu'à un point supérieur à la tension totale du système. Cela permet à l'électricité d'être distribuée aux régions du circuit nécessitant une tension plus élevée tandis que l'ensemble du circuit fonctionne à une tension plus basse.

Cette percée contribuera à réduire l'énergie de commutation et la tension de fonctionnement des appareils électroniques, réduisant ainsi les pertes de chaleur, note Igor Lukyanchuk, Chercheur principal d'ENGIMA.

"La capacité négative est l'un des développements récents les plus importants pour réduire la consommation d'énergie des nanocircuits et résoudre les problèmes de surchauffe qui limitent les performances des circuits de calcul conventionnels, " dit-il. " En s'appuyant sur cette recherche, nous développons une plate-forme pratique pour la mise en œuvre de dispositifs ultra-basse consommation pour le traitement de l'information."

Vers des appareils intelligents sans batterie

En pratique, cela signifierait votre smartphone, Les appareils de l'Internet des objets et de nombreux autres systèmes électroniques deviendront beaucoup plus économes en énergie. En combinaison avec d'autres travaux menés dans le cadre d'ENGIMA, il pourrait transformer radicalement notre expérience de la maîtrise de l'énergie, consommation et stockage.

S'appuyant sur les avancées récentes de la technologie photovoltaïque et des matériaux à couche mince pour la conversion de l'énergie solaire, Les équipes de recherche d'ENGIMA en France et au Mexique développent de nouvelles nanostructures super-réseaux multifonctionnelles finement réglées pour une ferroélectrique optimisée, réponses structurelles et photovoltaïques. Les travaux promettent un moyen efficace de concevoir de nouvelles nanostructures pour les futurs matériaux photovoltaïques.

"Ces systèmes photovoltaïques pourraient devenir des sources d'énergie verte de nouvelle génération car sûres, fiable, remplacements respectueux de l'environnement pour les batteries dans les systèmes intelligents auto-alimentés, ", dit El Marssi.

Pendant ce temps, Chercheurs ENGIMA en Slovénie, dirigé par Zdravko Kutnjak à l'Institut Jožef Stefan, explorent d'autres moyens de surmonter la « tyrannie Boltzmann ». Ils exploitent le soi-disant effet électrocalorique qui fait que les matériaux présentent un changement de température réversible sous un champ électrique appliqué. L'équipe a démontré pour la première fois que les cristaux liquides peuvent être exploités comme matériaux électrocaloriques avec de grands changements de température.

Les développements dans ce domaine ont suscité un énorme intérêt de la part des communautés de la recherche et de l'industrie car ils suggèrent l'intégration efficace de refroidisseurs dans des circuits de calcul nanoélectroniques, selon Kutnjak.

« Nous nous attendons à ce que la température de refroidissement dans les prototypes de dispositifs à cristaux liquides soit considérablement améliorée par rapport aux systèmes à semi-conducteurs, " ajoute-t-il. " De plus, le matériau à cristaux liquides peut être utilisé sous n'importe quelle forme, et de tels dispositifs ne seront pas affectés par les problèmes de fatigue causés par la fissuration des matériaux."

Les résultats issus d'ENGIMA promettent d'ouvrir de nouvelles opportunités et possibilités importantes pour les industries de haute technologie, en particulier pour résoudre les problèmes actuels de consommation d'énergie et de récolte, avec des applications dans de nombreux domaines.

"De ce point de vue, ENGIMA peut améliorer la qualité de vie et la santé à long terme des citoyens de l'UE. Par exemple, en contribuant au développement de différents systèmes intelligents, " dit El Marssi. " Il est également envisagé qu'ENGIMA contribue à combler le vide dans l'activité de recherche sur l'application des nanomatériaux multifonctionnels pour l'informatique et les technologies énergivores entre l'Europe et d'autres pays. "