Тепловой экран для защиты электронных устройств может быть толщиной всего 10 атомов

Атомно тонкие тепловые экраны могут быть в 50 000 раз тоньше, чем современные изоляционные материалы, применяемые в мобильных телефонах и ноутбуках.

Они могут создать тепловые экраны, которые защитят людей и чувствительные к температуре детали, и сделают будущие электронные гаджеты еще более компактными.

Избыточное тепло, выделяемое смартфонами, ноутбуками и другими электронными устройствами, может раздражать, но помимо этого явление приводит к сбоям в работе и, в крайних случаях, даже чревато взрывом литиевых батарей.

Чтобы защититься от таких проблем, инженеры часто вставляют стекло, пластик или даже слои воздуха в качестве изоляции, чтобы защитить тепловыделяющие компоненты, такие как микропроцессоры, от повреждения или обеспечить дискомфорт для пользователей.

Теперь исследователи из Стэнфорда показали, что несколько слоев атомарно тонких материалов, сложенных как листы бумаги «на горячих точках», могут обеспечить такую же теплоизоляцию, как лист стекла имеющий в 100 раз большую толщину. В ближайшем будущем более тонкие тепловые экраны позволят инженерам сделать электронные устройства еще более компактными, чем те, которые мы имеем сегодня, сказал Эрик Поп, профессор электротехники и старший автор статьи, опубликованной 16 августа в журнале Science Advances .

«Мы смотрим на тепло электронных устройств совершенно по-новому», — сказал Поп.

Обнаружение звука как тепла

Тепло, которое мы ощущаем от смартфонов или ноутбуков, на самом деле — неслышимая форма высокочастотного звука. Если это кажется безумным, рассмотрите основную физику. Электричество течет по проводам как поток электронов. Когда эти электроны движутся, они сталкиваются с атомами материалов, через которые проходят. При каждом таком столкновении электрон вызывает вибрацию атома, и чем больше протекает ток, тем больше происходит столкновений. И электроны будут биться по атомам, как множество молотков по колоколам. И эта какофония колебаний движется через твердый материал на частотах, намного превышающих порог слышимости, генерирующих энергию, которую мы ощущаем как тепло.

Размышление о тепле как о форме звука вдохновило исследователей из Стэнфорда заимствовать некоторые принципы из физического мира. Будучи радио-ди-джеем в KZSU 90.1 FM Стэнфорда, Поп знал, что студии звукозаписи тихие благодаря толстым стеклянным окнам, которые блокируют внешний звук. Аналогичный принцип применим к теплозащитным экранам в современной электронике. Если бы лучшая изоляция была их единственной заботой, исследователи могли бы просто позаимствовать принцип музыкальной студии. Но это помешало бы попыткам сделать электронику тоньше. Их решение состояло в том, чтобы позаимствовать у домовладельцев уловку, когда те устанавливают у себя многослойные окна — обычно слои воздуха между листами стекла различной толщины, чтобы сделать интерьеры теплее и тише.

«Мы адаптировали эту идею, создав изолятор, в котором вместо толстой стеклянной массы использовалось несколько слоев атомарно тонких материалов», — сказал доктор наук Сэм Вазири, ведущий автор статьи.

Атомно-тонкие материалы — сравнительно недавнее открытие. Только 15 лет назад ученые смогли выделить некоторые материалы в такие тонкие слои. Первым обнаруженным примером был графен, представляющий собой один слой атомов углерода, и с тех пор, как он был обнаружен, ученые искали и экспериментировали с другими листовыми материалами. Стэнфордская команда использовала слой графена и три других листовых материала — каждый толщиной три атома — чтобы создать четырехслойный изолятор глубиной всего 10 атомов. Несмотря на свою тонкость, изолятор эффективен, потому что тепловые колебания атома ослабляются и теряют большую часть своей энергии при прохождении через каждый слой.

Чтобы сделать наноразмерные теплозащитные экраны практичными, исследователи должны будут найти какую-то технику массового производства, чтобы распылять или иным образом наносить атомно-тонкие слои материалов на электронные компоненты во время производства.

Но за непосредственной целью разработки более тонких изоляторов скрываются большие амбиции: ученые надеются однажды контролировать вибрационную энергию внутри материалов так же, как они теперь контролируют электричество и свет. Когда они начинают понимать тепло в твердых объектах как форму звука, появляется новое поле фононики, название которого происходит от греческого корня, стоящего за телефоном, фонографом и фонетикой.

«Как инженеры, мы знаем достаточно много о том, как управлять электричеством, и со светом, но мы только начинаем понимать, как манипулировать высокочастотным звуком, проявляющимся как тепло в атомном масштабе», — говорят исследователи.

Похожие новости