Forskere bygger et varmeskjold på kun 10 atomer tykt for at beskytte elektroniske enheder

Overskydende varme afgivet af smartphones, bærbare computere og andre elektroniske enheder kan være irriterende, men derudover bidrager det til funktionsfejl og, i ekstreme tilfælde, kan endda få lithium-batterier til at eksplodere.

For at beskytte sig mod sådanne dårligdomme, ingeniører indsætter ofte glas, plast eller endda lag af luft som isolering for at forhindre varmegenererende komponenter som mikroprocessorer i at forårsage skade eller genere brugere.

Nu, Stanford-forskere har vist, at nogle få lag af atomisk tynde materialer, stablet som ark papir oven på hot spots, kan give samme isolering som en glasplade 100 gange tykkere. På kort sigt, tyndere varmeskjolde vil gøre det muligt for ingeniører at gøre elektroniske enheder endnu mere kompakte end dem, vi har i dag, sagde Eric Pop, professor i elektroteknik og seniorforfatter til et papir offentliggjort 16. august i Videnskabens fremskridt .

"Vi ser på varmen i elektroniske enheder på en helt ny måde, " sagde Pop.

Registrerer lyd som varme

Varmen, vi føler fra smartphones eller bærbare computere, er faktisk en uhørlig form for højfrekvent lyd. Hvis det virker skørt, overveje den underliggende fysik. Elektricitet strømmer gennem ledninger som en strøm af elektroner. Når disse elektroner bevæger sig, de kolliderer med atomerne i de materialer, de passerer igennem. Ved hver sådan kollision får en elektron et atom til at vibrere, og jo mere strøm der flyder, jo flere kollisioner sker, indtil elektroner slår på atomer som så mange hamre på så mange klokker – bortset fra at denne kakofoni af vibrationer bevæger sig gennem det faste materiale ved frekvenser langt over høretærsklen, generere energi, som vi føler som varme.

At tænke på varme som en form for lyd inspirerede Stanford-forskerne til at låne nogle principper fra den fysiske verden. Fra sine dage som radio-DJ på Stanfords KZSU 90.1 FM, Pop vidste, at musikstudier er stille takket være tykke glasvinduer, der blokerer for den udvendige lyd. Et lignende princip gælder for varmeskjoldene i nutidens elektronik. Hvis bedre isolering var deres eneste bekymring, forskerne kunne simpelthen låne musikstudieprincippet og fortykke deres varmebarrierer. Men det ville frustrere bestræbelserne på at gøre elektronik tyndere. Deres løsning var at låne et trick fra husejere, som installerer vinduer med flere ruder - normalt, luftlag mellem glasplader med varierende tykkelse - for at gøre interiøret varmere og mere stille.

"Vi tilpassede den idé ved at skabe en isolator, der brugte flere lag af atomisk tynde materialer i stedet for en tyk masse af glas, " sagde postdoc Sam Vaziri, hovedforfatteren på papiret.

Atomisk tynde materialer er en relativt ny opdagelse. Det var kun 15 år siden, at forskerne var i stand til at isolere nogle materialer i så tynde lag. Det første opdagede eksempel var grafen, som er et enkelt lag af carbonatomer og, lige siden den blev fundet, videnskabsmænd har ledt efter, og eksperimentere med, andre pladelignende materialer. Stanford-teamet brugte et lag grafen og tre andre arklignende materialer - hver tre atomer tykke - til at skabe en firelags isolator på kun 10 atomer dyb. På trods af dens tyndhed, isolatoren er effektiv, fordi atomvarmevibrationerne dæmpes og mister meget af deres energi, når de passerer gennem hvert lag.

For at gøre varmeskjolde i nanoskala praktiske, forskerne bliver nødt til at finde en masseproduktionsteknik til at sprøjte eller på anden måde afsætte atomtynde lag af materialer på elektroniske komponenter under fremstillingen. Men bag det umiddelbare mål om at udvikle tyndere isolatorer lurer en større ambition:Forskere håber en dag at kontrollere vibrationsenergien inde i materialer, som de nu styrer elektricitet og lys. Når de kommer til at forstå varmen i faste genstande som en form for lyd, et nyt felt inden for fononik er ved at dukke op, et navn taget fra det græske rodord bag telefon, fonograf og fonetik.

"Som ingeniører vi ved ret meget om, hvordan man styrer elektricitet, og vi bliver bedre med lys, men vi er lige begyndt at forstå, hvordan man manipulerer den højfrekvente lyd, der manifesterer sig som varme på atomskalaen, " sagde Pop.