Je hebt de hitte al eerder gevoeld:de smartphone die opwarmt tijdens het draaien van een navigatie-app of de laptop die te warm wordt voor je schoot.

De warmte die door elektronische apparaten wordt geproduceerd, doet gebruikers meer dan alleen maar ergeren. Door warmte veroorzaakte holtes en scheuren kunnen ervoor zorgen dat chips en circuits uitvallen.

Nu heeft een door Stanford geleid technisch team een ​​manier ontwikkeld om niet alleen warmte te beheren, maar help het weg te leiden van gevoelige apparaten. Inschrijven Natuurcommunicatie , de onderzoekers beschrijven een thermische transistor - een schakelaar op nanoschaal die warmte weg kan leiden van elektronische componenten en deze kan isoleren tegen de schadelijke effecten ervan.

"De ontwikkeling van een praktische thermische transistor kan een doorbraak betekenen in de manier waarop we elektronica ontwerpen, " zei senior auteur Kenneth Goodson, hoogleraar werktuigbouwkunde.

Onderzoekers proberen al jaren warmteschakelaars te ontwikkelen. Eerdere thermische transistoren bleken te groot, te traag en niet gevoelig genoeg voor praktisch gebruik. De uitdaging was het vinden van een technologie op nanoschaal die herhaaldelijk kan in- en uitschakelen, hebben een groot hot-to-cool schakelcontrast en geen bewegende delen.

Geholpen door elektrotechnisch ingenieur Eric Pop en materiaalwetenschapper Yi Cui, Goodsons team overwon deze obstakels door te beginnen met een dunne laag molybdeendisulfide, een halfgeleidend kristal dat is opgebouwd uit gelaagde platen van atomen. Slechts 10 nanometer dik en effectief bij kamertemperatuur, dit materiaal zou kunnen worden geïntegreerd in de hedendaagse elektronica, een kritische factor om de technologie praktisch te maken.

Om van deze warmtegeleidende halfgeleider een transistorachtige schakelaar te maken, de onderzoekers baadden het materiaal in een vloeistof met veel lithiumionen. Wanneer een kleine elektrische stroom op het systeem wordt toegepast, de lithiumatomen beginnen te doordringen in de lagen van het kristal, het veranderen van de warmtegeleidende eigenschappen. Naarmate de lithiumconcentratie toeneemt, de thermische transistor schakelt uit. Werken met de groep van Davide Donadio aan de Universiteit van Californië, Davis, de onderzoekers ontdekten dat dit gebeurt omdat de lithiumionen de atomen van het kristal uit elkaar duwen. Dit maakt het moeilijker voor de warmte om er doorheen te komen.

Aditya Sood, een postdoctoraal wetenschapper met Goodson en Pop en co-eerste auteur op het papier, vergeleek de thermische transistor met de thermostaat in een auto. Als de auto koud is, de thermostaat staat uit, voorkomen dat koelvloeistof stroomt, en de motor houdt warmte vast. Naarmate de motor warmer wordt, de thermostaat gaat open en de koelvloeistof begint te bewegen om de motor op een optimale temperatuur te houden. De onderzoekers stellen zich voor dat thermische transistors die op computerchips zijn aangesloten, aan en uit zouden gaan om de hitteschade in gevoelige elektronische apparaten te helpen beperken.

Naast het inschakelen van dynamische warmteregeling, de resultaten van het team bieden nieuwe inzichten in de oorzaken van het falen van lithium-ionbatterijen. Omdat de poreuze materialen in een batterij zijn doordrenkt met lithium, ze belemmeren de warmtestroom en kunnen ervoor zorgen dat de temperatuur omhoog schiet. Nadenken over dit proces is cruciaal voor het ontwerpen van veiligere batterijen.

In een verre toekomst stellen de onderzoekers zich voor dat thermische transistors in circuits kunnen worden gerangschikt om te berekenen met behulp van warmtelogica, net zoals halfgeleidertransistoren rekenen met elektriciteit. Maar hoewel opgewonden door het potentieel om warmte op nanoschaal te beheersen, de onderzoekers zeggen dat deze technologie vergelijkbaar is met waar de eerste elektronische transistors zo'n 70 jaar geleden waren, toen zelfs de uitvinders zich niet volledig konden voorstellen wat ze mogelijk hadden gemaakt.

"Voor de eerste keer, echter, een praktische thermische transistor op nanoschaal binnen handbereik is, ' zegt Goodson.