Usædvanligt materiale kan forbedre pålideligheden af ​​elektronik og andre enheder

Flytter varmen rundt, hvor du vil have den - tilføjer den til huse og hårtørrere, at fjerne det fra bilmotorer og køleskabe - er en af ​​de store udfordringer ved teknik.

Al aktivitet genererer varme, fordi energi slipper ud af alt, hvad vi gør. Men for meget kan slide batterier og elektroniske komponenter ud - som dele i en ældre bærbar computer, der kører for varmt til faktisk at sidde på dit skød. Hvis du ikke kan slippe af med varmen, du har et problem.

Forskere ved University of Chicago har opfundet en ny måde at lede varme på på mikroskopisk niveau:en termisk isolator fremstillet ved hjælp af en innovativ teknik. De stabler ultratynde lag krystallinske ark oven på hinanden, men drej hvert lag lidt, skabe et materiale med atomer, der er justeret i den ene retning, men ikke i den anden.

"Tænk på en delvist færdig Rubiks terning, med lag alle roteret i tilfældige retninger, "sagde Shi En Kim, en kandidatstuderende ved Pritzker School of Molecular Engineering, der er første forfatter til undersøgelsen. "Det betyder, at inden for hvert lag af krystallen, vi har stadig et ordnet gitter af atomer, men hvis du flytter til det nærliggende lag, du aner ikke, hvor de næste atomer vil være i forhold til det forrige lag - atomerne er fuldstændig rodet i denne retning. "

Resultatet er et materiale, der er ekstremt godt til både at indeholde varme og flytte det, omend i forskellige retninger - en usædvanlig evne i mikroskalaen, og en, der kunne have meget nyttige applikationer inden for elektronik og anden teknologi.

"Kombinationen af ​​fremragende varmeledningsevne i den ene retning og fremragende isolering i den anden retning findes slet ikke i naturen, "sagde studieforfatter Jiwoong Park, professor i kemi og molekylær teknik ved University of Chicago. "Vi håber, at dette kunne åbne op for en helt ny retning for fremstilling af nye materialer."

Forskere søger konstant efter materialer med usædvanlige egenskaber, fordi de kan låse op for helt nye muligheder for enheder såsom elektronik, sensorer, medicinsk teknologi eller solceller. For eksempel, MR -maskiner blev muliggjort ved opdagelsen af ​​et mærkeligt materiale, der perfekt kan lede elektricitet.

Parks gruppe havde undersøgt måder at lave ekstremt tynde lag af materialer, som kun er et par atomer tykke. Normalt, de materialer, der bruges til enheder, består af ekstremt regelmæssige, gentagelse af gitter af atomer, hvilket gør det meget let for elektricitet (og varme) at bevæge sig gennem materialet. Men forskerne spekulerede på, hvad der ville ske, hvis de i stedet roterede hvert på hinanden følgende lag lidt, da de stablede dem.

De målte resultaterne og fandt ud af, at en mikroskopisk væg af dette materiale var ekstremt god til at forhindre varme i at bevæge sig mellem rum. "Den termiske ledningsevne er bare fantastisk lav - så lav som luft, som stadig er en af ​​de bedste isolatorer, vi kender, "sagde Park." Det i sig selv er overraskende, fordi det er meget usædvanligt at finde den egenskab i et materiale, der er et tæt faststof - det har en tendens til at være gode varmeledere. "

Men det punkt, der var virkelig spændende for forskerne var, da de målte materialets evne til at transportere varme langs væggen, og fandt ud af, at det meget let kunne gøre det.

Disse to egenskaber i kombination kan være meget nyttige. For eksempel, gør computerchips mindre og mindre resulterer i mere og mere strøm, der løber gennem et lille rum, skabe et miljø med en høj "effekttæthed" - et farligt hotspot, sagde Kim.

"Du bager dybest set dine elektroniske enheder ved effektniveauer, som om du putter dem i en mikrobølgeovn, "sagde hun." En af de største udfordringer inden for elektronik er at tage sig af varme i den skala, fordi nogle komponenter i elektronik er meget ustabile ved høje temperaturer.

"Men hvis vi kan bruge et materiale, der både kan lede varme og isolere varme på samme tid i forskellige retninger, vi kan suge varme væk fra varmekilden - f.eks. batteriet - samtidig med at vi undgår de mere skrøbelige dele af enheden. "

Denne evne kan åbne døre for at eksperimentere med materialer, der har været for varmefølsomme for ingeniører at bruge i elektronik. Ud over, at skabe en ekstrem termisk gradient - hvor noget er meget varmt på den ene side og køligt på den anden - er svært at gøre, især på så små skalaer, men kunne have mange applikationer inden for teknologi.

"Hvis du tænker på, hvad vinduesruden gjorde for os - at kunne holde temperaturerne ude og inde adskilt - kan du få en fornemmelse af, hvor nyttig dette kan være, "Sagde Park.

Forskerne testede kun deres lagteknik i ét materiale, kaldet molybdendisulfid, men synes, at denne mekanisme burde være generel på tværs af mange andre. "Jeg håber, at dette åbner en helt ny retning for fremstilling af eksotiske varmeledere, "Sagde Kim.