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計算機晶片中擁有數十億個微型電晶體，這些電晶體不僅可以實現強大的計算能力，還可以產生大量的熱量。但是熱量的積累會減慢計算機處理器的速度，降低其效率和可靠性。工程師們現在可以使用散熱器來保持晶片冷卻，有時還使用風扇或液體冷卻系統，然而，這些方法通常需要大量能量才能操作。
美國科學家採取了不同的方法。他們開發了一種演算法和軟體系統，可以自動設計一種奈米級材料，這種材料可以以特定的方式傳導熱量，例如只向一個方向傳導熱量。因為這些材料是以奈米為單位測量的（人的頭髮大約有80000奈米寬），它們可以用於計算機晶片，由於材料的幾何形狀，它們可以自行散熱。科學家們透過採用傳統上用於開發大型結構的計算技術，並對其進行調整，以建立具有特定熱特性的奈米材料，從而創造了新的系統。
他們設計了一種能沿優選方向傳導熱量的材料（這種效應稱為熱各向異性）和一種能有效將熱量轉化為電能的材料。他們正在利用後一種設計製造一種奈米結構矽器件，用於餘熱回收。科學家通常結合猜測和反覆試驗來最佳化奈米材料的導熱能力。科學家們可以將所需的熱特性輸入到他們的軟體系統中，並接收能夠實現這些特性的設計，最後用於實際製造。
除了製造能自散熱的計算機晶片外，這項技術還可用於開發能有效將熱量轉換為電能的材料，即熱電材料。例如，這些材料可以捕獲火箭發動機的餘熱，並將其用於為航天器提供動力，論文首席作者解釋道：“我們的目標是設計這些奈米結構材料，這些材料的傳熱方式與任何自然材料都截然不同。但問題是，你如何儘可能有效地做到這一點，而不是僅僅根據直覺嘗試一系列不同的事情？我們應用了計算設計，讓計算機探索出許多可能的形狀，並得出一個具有最佳熱效能的形狀。”
半導體中的熱量透過振動傳播。分子在加熱時振動得更快，導致附近的分子群開始振動，將熱量透過材料傳遞。科學家們希望創造出以非常特殊的方式控制傳熱的奈米材料，例如在水平方向傳導更多熱量而在垂直方向傳導更少熱量的材料。要做到這一點，他們需要控制振動波如何在材料中移動。
他們關注的材料稱為週期性奈米結構，由任意形狀的結構晶格製成，這些奈米結構改變這些結構的尺寸或排列會顯著改變整個系統的熱特性。原則上，科學家們可以使這些結構的某些部分過於狹窄，以至於振動波無法透過，從而控制熱量如何透過材料。
美國科學家們還設計了一種稱為傳輸插值法的新技術，使這些非常複雜的方程能夠以演算法能夠處理的方式執行。使用這種方法，計算機可以平滑、連續地變形材料分佈，直到達到所需的熱特性。該團隊還建立了一個開源軟體系統和一個web應用程式，使使用者能夠輸入所需的熱特性，並接收可製造的奈米材料結構。透過使系統開源，研究人員希望激勵其他科學家為這一研究領域做出貢獻。
有了這個新工具，全球科學家們將很快探索其他可以使用該系統最佳化的材料，如金屬合金，這可能為新的應用開啟大門。他們也在研究最佳化三維導熱係數的方法，而不僅僅是水平和垂直導熱係數。“據我所知，這些論文是利用聲子-玻爾茲曼傳輸模型進行奈米級傳熱拓撲最佳化材料設計的首批論文之一。他們方法的技術創新之處主要在於將傳輸插值方法與玻爾茲曼傳輸模型巧妙結合。”沒有參與這項工作的一位科學家解釋說道。
