Overtollige warmte afgegeven door smartphones, laptops en andere elektronische apparaten kunnen vervelend zijn, maar verder draagt ​​het bij aan storingen en, in extreme gevallen, kunnen zelfs lithiumbatterijen doen ontploffen.

Om te waken tegen dergelijke kwalen, ingenieurs plaatsen vaak glas, plastic of zelfs luchtlagen als isolatie om te voorkomen dat warmtegenererende componenten zoals microprocessors schade toebrengen of gebruikers hinderen.

Nutsvoorzieningen, Stanford-onderzoekers hebben aangetoond dat een paar lagen van atomair dunne materialen, gestapeld als vellen papier op hete plekken, kan dezelfde isolatie bieden als een 100 keer dikkere glasplaat. Op korte termijn, dunnere hitteschilden zullen ingenieurs in staat stellen om elektronische apparaten nog compacter te maken dan die we nu hebben, zei Eric Pop, hoogleraar elektrotechniek en senior auteur van een paper gepubliceerd op 16 augustus in wetenschappelijke vooruitgang .

"We kijken op een geheel nieuwe manier naar de hitte in elektronische apparaten, ' zei pap.

Geluid detecteren als warmte

De warmte die we voelen van smartphones of laptops is eigenlijk een onhoorbare vorm van hoogfrequent geluid. Als dat gek lijkt, denk aan de onderliggende fysica. Elektriciteit stroomt door draden als een stroom elektronen. Terwijl deze elektronen bewegen, ze botsen met de atomen van de materialen waar ze doorheen gaan. Bij elke botsing laat een elektron een atoom trillen, en hoe meer stroom vloeit, hoe meer botsingen, totdat elektronen op atomen slaan als zoveel hamers op zoveel bellen - behalve dat deze kakofonie van trillingen door het vaste materiaal beweegt op frequenties ver boven de gehoordrempel, energie opwekken die we als warmte voelen.

Het denken over warmte als een vorm van geluid inspireerde de Stanford-onderzoekers om enkele principes uit de fysieke wereld te lenen. Vanaf zijn dagen als radio-dj bij Stanford's KZSU 90.1 FM, Pop wist dat muziekopnamestudio's stil zijn dankzij dikke glazen ramen die het geluid van buiten blokkeren. Een soortgelijk principe geldt voor de hitteschilden in de hedendaagse elektronica. Als betere isolatie hun enige zorg was, de onderzoekers konden gewoon het principe van de muziekstudio lenen en hun hittebarrières dikker maken. Maar dat zou de pogingen om elektronica dunner te maken frustreren. Hun oplossing was om een ​​truc te lenen van huiseigenaren, die vensters met meerdere beglazingen installeren, meestal luchtlagen tussen glasplaten met verschillende diktes - om interieurs warmer en stiller te maken.

"We hebben dat idee aangepast door een isolator te maken die verschillende lagen atomair dunne materialen gebruikte in plaats van een dikke massa glas, " zei postdoctoraal wetenschapper Sam Vaziri, de hoofdauteur van het papier.

Atomair dunne materialen zijn een relatief recente ontdekking. Het was pas 15 jaar geleden dat wetenschappers sommige materialen in zulke dunne lagen konden isoleren. Het eerste ontdekte voorbeeld was grafeen, die een enkele laag koolstofatomen is en, sinds het gevonden is, wetenschappers hebben gezocht naar en experimenteren met andere plaatachtige materialen. Het Stanford-team gebruikte een laag grafeen en drie andere plaatachtige materialen - elk drie atomen dik - om een ​​vierlaagse isolator te creëren van slechts 10 atomen diep. Ondanks zijn dunheid, de isolator is effectief omdat de atomaire warmtetrillingen worden gedempt en veel van hun energie verliezen als ze door elke laag gaan.

Om hitteschilden op nanoschaal praktisch te maken, de onderzoekers zullen een massaproductietechniek moeten vinden om tijdens de productie atoomdunne materiaallagen op elektronische componenten te spuiten of anderszins te deponeren. Maar achter het onmiddellijke doel om dunnere isolatoren te ontwikkelen, doemt een grotere ambitie op:wetenschappers hopen op een dag de trillingsenergie in materialen te beheersen zoals ze nu elektriciteit en licht beheersen. Naarmate ze de warmte in vaste objecten gaan begrijpen als een vorm van geluid, een nieuw gebied van phononics is in opkomst, een naam ontleend aan het Griekse stamwoord achter telefoon, fonograaf en fonetiek.

"Als ingenieurs, we weten heel veel over hoe we elektriciteit moeten regelen, en we worden beter met licht, maar we beginnen net te begrijpen hoe we het hoogfrequente geluid kunnen manipuleren dat zich op atomaire schaal manifesteert als warmte. ' zei pap.