Тепло как звук: теплозащитный экран толщиной 10 атомов
За непосредственной разработкой более тонких изоляторов скрываются гораздо большие амбиции: ученые надеются однажды взять под контроль вибрационную энергию внутри материалов так же, как теперь можно контролировать распределение электричества и света
Избыточное тепло, выделяемое смартфонами, ноутбуками и другими электронными устройствами, при взаимодействии с живым организмом может приносить ему дискомфорт, однако, помимо этого, перегрев электронных компонентов может привести к сбоям в работе электронного оборудования и, например, в случаях с литиевыми аккумуляторами, привести к их взрыву.
Чтобы снизить риск возникновения таких проблем, инженеры часто используют стекло, пластик или воздушные прослойки в качестве теплоизоляции, ограничивая воздействие тепловыделяющих компонентов, такие как микропроцессоры, на другие элементы электронных устройств.
Исследователи продемонстрировали, что несколько слоев атомарно тонких материалов, разложенных подобно листам бумаги на горячих областях, могут предоставить такой же уровень теплоизоляции, 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 имеются в распоряжении сегодня, говорит ведущий автор исследования, результаты которого опубликованы в журнале Science Advances.
«Мы начали смотреть на тепло, идущее от электронных устройств, совершенно по-новому», - сказал он.
Тепло как неслышная форма высокочастотного звука
Тепло, которое исходит от смартфонов или ноутбуков, на самом деле является неслышной формой высокочастотного звука. Если это кажется невероятным, необходимо обратиться к основам физики. Электричество течет по проводам в виде потока электронов. Когда эти электроны движутся, они сталкиваются с атомами материалов, через которые они проходят.
При каждом таком столкновении электрон заставляет атом вибрировать, и чем сильнее ток, тем больше происходит столкновений, пока электроны не начинают бить по атомам так, что начинают издавать звук ударения огромного множества молотов по соответствующей массе колоколов. Отличие заключается лишь в том, что эта какофония вибраций происходит внутри твердого материала на частотах, намного превышающих порог слышимости, генерируя энергию, которая чувствуется как тепло.
Размышление о тепле как о форме звука вдохновило исследователей заимствовать некоторые его принципы из физического мира. Будучи радио-диджеем, ведущий автор исследования знал, что в студиях звукозаписи так тихо, благодаря толстым стеклянным окнам, которые блокируют внешний звук.
Аналогичный принцип применяется к теплозащитным экранам в современной электронике. Однако, если бы поиск лучшей изоляция был единственной заботой, исследователи могли бы просто позаимствовать принцип музыкальной студии, создав необходимые тепловые барьеры.
Но это бы не позволило сделать электронику тоньше. Решение заключается в том, чтобы позаимствовать принцип, используемый домовладельцами, которые устанавливают многослойные окна, обычно содержащие слои воздуха между листами стекла различной толщины, чтобы сделать внутреннее пространство помещения теплее и тише.
«Эта идея была адаптирована для создания изолятора, в котором вместо толстой массы стекла используется несколько слоев атомарно тонких материалов».
Атомно-тонкие материалы - сравнительно недавнее открытие. Ученые смогли выделить некоторые материалы в такие тонкие слои только 15 лет назад. Первым обнаруженным примером стал графен, который представляет собой один слой атомов углерода, и с тех пор, как он был обнаружен, ученые вели поиск различных других листовых материалов, экспериментируя с ними.
Команда исследователей, ведущая разработку теплозащитных экранов для электроники, использовала слой графена и три других листовых материала - каждый толщиной в три атома - для создания четырехслойного изолятора общей толщиной всего 10 атомов. Несмотря на такой размер, теплоизолятор показал свою эффективность, демонстрируя то, как тепловые колебания атомов ослабляются и теряют большую часть своей энергии при прохождении через каждый слой.
Чтобы сделать наноразмерные теплозащитные экраны практичными, исследователи должны будут разработать какую-то технологию их массового производства, чтобы распылять или иным образом наносить атомно-тонкие слои материалов на электронные компоненты.
Однако за непосредственной разработкой более тонких изоляторов скрываются гораздо большие амбиции: ученые надеются однажды взять под контроль вибрационную энергию внутри материалов так же, как теперь можно контролировать распределение электричества и света. Когда приходит понимание тепла в твердых объектах как формы звука, появляется новое поле для изучения фононики (фонон — квазичастица, введённая советским учёным Игорем Таммом), название которого происходит от греческого однокоренного слова, стоящего за телефоном, фонографом и фонетикой.
«Как инженерам, нам известно достаточно много о том, как управлять электричеством, имеющиеся уже знания позволяют лучше управляться со светом, но понимание того, как управлять высокочастотным звуком, который проявляется как тепло в атомарном масштабе, находится еще в самом начале».
Источник: Stanford University
