Naukowcy opracowali osłonę termiczną do zastosowań w urządzeniach elektronicznych o grubości zaledwie 10 atomów. Taka ochrona może potencjalnie uczynić nasze gadżety bezpieczniejszymi w użyciu i bardziej kompaktowymi w przyszłości.

Zdjęcie ilustracyjne

Nadmiar ciepła wydzielany przez smartfony, laptopy i inne urządzenia elektroniczne może być denerwujący, ale przede wszystkim przyczynia się do ich awarii, a w skrajnych przypadkach może nawet spowodować wybuch baterii. Producenci często instalują osłony termiczne w postaci szkła czy tworzyw sztucznych, a nawet powietrza, aby zapobiec powstawaniu szkód przez elementy wytwarzające ciepło, takie jak mikroprocesory.

Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda opracowali osłonę termiczną nowej generacji, która ma grubość zaledwie 10 atomów. Składa się materiałów izolacyjnych zainstalowanych na gorących punktach ułożonych jak arkusze papieru i może zapewnić taką samą izolację, jak 100 razy grubsza warstwa szkła. Tego typu osłony cieplne umożliwią jeszcze większą miniaturyzację urządzeń elektronicznych. Mogą znaleźć także zastosowanie przy budowie statków kosmicznych oraz w innych gałęziach przemysłu, gdzie urządzenia mają styczność z wysoką temperaturą.

Artykuł naukowy opisujący nową osłonę termiczną ukazał się w „Science Advances”.

– Patrzymy na ciepło w urządzeniach elektronicznych w zupełnie nowy sposób – powiedział Eric Pop, współautor publikacji. Naukowcy zaczęli myśleć o cieple, jak o formie dźwięku. Energia elektryczna przepływa przez przewodnik jako strumień elektronów, a ilość wydzielanego ciepła zależy od oporu przewodnika. Gdy elektrony poruszają przez przewodnik, zderzają się z atomami materiałów, przez które przechodzą. Przy każdym takim zderzeniu elektron powoduje wibrację atomu, a im więcej prądu przepływa, tym więcej kolizji ma miejsce. Elektrony uderzają w atomy jak w dzwony, z tą różnicą, że ta kakofonia wibracji przemieszcza się przez materiał stały w częstotliwości znacznie powyżej progu słyszenia, generując energię, którą odczuwamy jako ciepło.

Pop w czasach studenckich pracował w rozgłośni radiowej. Stąd wiedział, że studia nagrań muzycznych są ciche dzięki grubym szklanym oknom, które blokują dźwięk z zewnątrz. Podobna zasada dotyczy osłon termicznych we współczesnej elektronice. Gdyby jedyną troską producentów elektroniki była lepsza izolacja, mogliby po prostu zastosować zasadę ze studia nagrań i pogrubić bariery cieplne. Ale to udaremniłoby wysiłki, aby elektronika była coraz mniejsza, cieńsza, bardziej kompaktowa.

Badaczom bardziej spodobał się pomysł stosowany w budownictwie, a konkretnie w oknach wielokomorowych, gdzie między szkłem o różnej grubości znajduje się powietrze. Powoduje to, że wnętrza mieszkań są cieplejsze i cichsze.

– Zaadaptowaliśmy ten pomysł tworząc izolator, w którym zastosowano warstwy materiałów o grubości kilku atomów zamiast grubej tafli szkła – powiedział doktorant Sam Vaziri, główny autor na publikacji.

Surowiec o grubości kilku atomów to stosunkowo nowe odkrycie. Dopiero 15 lat temu naukowcy byli w stanie wyizolować z niektórych materiałów tak cienkie warstwy. Pierwszym odkrytym przykładem był grafen, który jest pojedynczą warstwą atomów węgla, a od kiedy go znaleziono, naukowcy szukali i eksperymentowali z innymi podobnymi materiałami.

Zespół z Uniwersytetu Stanforda do swojej osłony termicznej użył warstwy grafenu i trzech innych podobnych materiałów – każdy o grubości trzech atomów. W efekcie powstał czterowarstwowy izolator o grubości zaledwie 10 atomów. Pomimo swoich rozmiarów izolator jest skuteczny – drgania są tłumione i tracą znaczną część swojej energii, gdy przechodzą przez każdą warstwę.

Do praktycznych zastosowań nowych osłon termicznych badacze będą musieli opracować technikę masowej produkcji takich materiałów – poprzez natryskiwanie lub osadzanie w inny sposób cienkich warstw materiałów na komponentach elektronicznych podczas produkcji.

Ale za bezpośrednim celem opracowania cieńszych izolatorów kryje się coś więcej. Naukowcy mają nadzieję, że pewnego dnia będą kontrolować energię wibracji wewnątrz materiałów w sposób, w jaki teraz kontrolują elektryczność i światło. – Jako inżynierowie wiemy dość dużo o sterowaniu elektrycznością i stajemy się lepsi dzięki światłu, ale dopiero zaczynamy rozumieć, jak manipulować dźwiękiem o wysokiej częstotliwości, który przejawia się jako ciepło w skali atomowej – wyjaśnił Pop.

 

 

 

ŹródłoStanford University