Warmte verplaatsen naar waar u het wilt hebben - door het toe te voegen aan huizen en haardrogers, het verwijderen van automotoren en koelkasten - is een van de grote uitdagingen van engineering.

Alle activiteit genereert warmte, omdat energie ontsnapt uit alles wat we doen. Maar te veel kan batterijen en elektronische componenten verslijten, zoals onderdelen in een verouderde laptop die te heet wordt om echt op je schoot te zitten. Als je de warmte niet kwijt kunt, je hebt een probleem.

Wetenschappers van de Universiteit van Chicago hebben een nieuwe manier bedacht om warmte op microscopisch niveau rond te leiden:een thermische isolator gemaakt met behulp van een innovatieve techniek. Ze stapelen ultradunne lagen kristallijne platen op elkaar, maar draai elke laag een beetje, het creëren van een materiaal met atomen die in de ene richting zijn uitgelijnd, maar niet in de andere.

"Denk aan een gedeeltelijk voltooide Rubiks kubus, met lagen die allemaal in willekeurige richtingen zijn geroteerd, " zei Shi En Kim, een afgestudeerde student aan de Pritzker School of Molecular Engineering die de eerste auteur van de studie is. "Wat dat betekent is dat binnen elke laag van het kristal, we hebben nog steeds een geordend rooster van atomen, maar als je naar de aangrenzende laag gaat, je hebt geen idee waar de volgende atomen zullen zijn ten opzichte van de vorige laag - de atomen zijn volledig rommelig in deze richting."

Het resultaat is een materiaal dat extreem goed is in zowel het vasthouden van warmte als het verplaatsen ervan, zij het in verschillende richtingen - een ongewoon vermogen op microschaal, en een die zeer nuttige toepassingen zou kunnen hebben in elektronica en andere technologie.

"De combinatie van uitstekende warmtegeleiding in de ene richting en uitstekende isolatie in de andere richting bestaat helemaal niet in de natuur, " zei hoofdauteur Jiwoong Park, hoogleraar scheikunde en moleculaire engineering aan de Universiteit van Chicago. "We hopen dat dit een geheel nieuwe richting kan openen voor het maken van nieuwe materialen."

Wetenschappers zijn voortdurend op zoek naar materialen met ongewone eigenschappen, omdat ze volledig nieuwe mogelijkheden kunnen ontsluiten voor apparaten zoals elektronica, sensoren, medische technologie of zonnecellen. Bijvoorbeeld, MRI-machines zijn mogelijk gemaakt door de ontdekking van een vreemd materiaal dat elektriciteit perfect kan geleiden.

De groep van Park had manieren onderzocht om extreem dunne lagen materiaal te maken, die slechts een paar atomen dik zijn. Normaal gesproken, de materialen die voor apparaten worden gebruikt, zijn gemaakt van zeer regelmatige, herhalende roosters van atomen, waardoor elektriciteit (en warmte) heel gemakkelijk door het materiaal kan bewegen. Maar de wetenschappers vroegen zich af wat er zou gebeuren als ze in plaats daarvan elke opeenvolgende laag een beetje zouden draaien terwijl ze ze op elkaar stapelden.

Ze maten de resultaten en ontdekten dat een microscopisch kleine wand gemaakt van dit materiaal buitengewoon goed was in het voorkomen dat warmte zich tussen compartimenten verplaatst. "De thermische geleidbaarheid is gewoon verbazingwekkend laag - zo laag als lucht, wat nog steeds een van de beste isolatoren is die we kennen, "zei Park. "Dat op zich is al verrassend, omdat het heel ongebruikelijk is om die eigenschap te vinden in een materiaal dat een dichte vaste stof is - dat zijn meestal goede warmtegeleiders."

Maar het punt dat echt opwindend was voor de wetenschappers, was toen ze het vermogen van het materiaal om warmte langs de muur te transporteren, maten. en ontdekte dat dit heel gemakkelijk kon.

Die twee eigenschappen in combinatie kunnen zeer nuttig zijn. Bijvoorbeeld, door computerchips steeds kleiner te maken, loopt er steeds meer stroom door een kleine ruimte, het creëren van een omgeving met een hoge "vermogensdichtheid" - een gevaarlijke hotspot, zei Kim.

"Je bakt je elektronische apparaten in feite op vermogensniveaus alsof je ze in een magnetron plaatst, "zei ze. "Een van de grootste uitdagingen in de elektronica is om op die schaal voor warmte te zorgen, omdat sommige componenten van elektronica erg onstabiel zijn bij hoge temperaturen.

"Maar als we een materiaal kunnen gebruiken dat zowel warmte kan geleiden als isoleren in verschillende richtingen, we kunnen warmte wegzuigen van de warmtebron, zoals de batterij, terwijl we de meer kwetsbare delen van het apparaat vermijden."

Die mogelijkheid zou deuren kunnen openen om te experimenteren met materialen die te warmtegevoelig waren voor ingenieurs om in elektronica te gebruiken. In aanvulling, het creëren van een extreme thermische gradiënt - waarbij iets aan de ene kant erg heet is en aan de andere kant koel - is moeilijk te doen, vooral op zulke kleine schaal, maar zou veel toepassingen in de technologie kunnen hebben.

"Als je bedenkt wat de ruit voor ons heeft gedaan - de buiten- en binnentemperatuur gescheiden kunnen houden - kun je een idee krijgen van hoe nuttig dit zou kunnen zijn, ' zei Park.

De wetenschappers testten hun laagtechniek slechts in één materiaal, genaamd molybdeendisulfide, maar denk dat dit mechanisme algemeen zou moeten zijn voor vele andere. "Ik hoop dat dit een geheel nieuwe richting opent voor het maken van exotische thermische geleiders, ' zei Kim.