Чтобы защититься от таких недугов, инженеры часто вставляют стекло, пластик или даже слои воздуха в качестве изоляции, чтобы не допустить, чтобы компоненты, выделяющие тепло, такие как микропроцессоры, не причиняли вреда или не причиняли неудобства пользователям.
Исследователи из Стэнфорда показали, что несколько слоев атомарно тонких материалов, сложенных, как листы бумаги, поверх горячих точек, могут обеспечить такую же изоляцию, как лист стекла в 100 раз толще. «В ближайшем будущем более тонкие тепловые экраны позволят инженерам делать электронные устройства еще более компактными, чем те, которые есть у нас сегодня», – сказал Эрик Поп, профессор электротехники и старший автор статьи, опубликованной в августе. 16 в достижениях науки.
«Мы смотрим на тепло в электронных устройствах совершенно по-новому», – сказал Поп.
Обнаружение звука как тепла
Тепло, которое мы ощущаем от смартфонов или ноутбуков, на самом деле является неслышной формой высокочастотного звука. Если это кажется безумием, рассмотрим физику, лежащую в основе. Электричество течет по проводам как поток электронов.
По мере движения эти электроны сталкиваются с атомами материалов, через которые проходят. При каждом таком столкновении электрон заставляет атом вибрировать, и чем больше протекает ток, тем больше столкновений происходит, пока электроны не бьют атомы, как молотки по колокольчикам – за исключением того, что эта какофония вибраций движется через твердый материал. на частотах намного выше порога слышимости, генерируя энергию, которую мы ощущаем как тепло.
Представление о тепле как о форме звука вдохновило исследователей из Стэнфорда заимствовать некоторые принципы из физического мира. Со времен работы радиодиджеем в Стэнфордском KZSU 90.1 FM, Поп знал, что музыкальные студии работают тихо благодаря толстым стеклянным окнам, которые блокируют внешний звук. Аналогичный принцип применяется к теплозащитным экранам в современной электронике. Если бы лучшая изоляция была их единственной заботой, исследователи могли бы просто позаимствовать принцип музыкальной студии и укрепить свои тепловые барьеры.
Но это сорвало бы попытки сделать электронику тоньше. Их решение состояло в том, чтобы позаимствовать уловку у домовладельцев, которые устанавливают многослойные окна – обычно слои воздуха между листами стекла разной толщины – чтобы сделать интерьер теплее и тише.
«Мы адаптировали эту идею, создав изолятор, в котором использовалось несколько слоев атомарно тонких материалов вместо толстой массы стекла», – сказал доктор наук Сэм Вазири, ведущий автор статьи.
Атомно тонкие материалы – относительно недавнее открытие.
Всего 15 лет назад ученым удалось разделить некоторые материалы на такие тонкие слои. Первым обнаруженным примером был графен, который представляет собой одинарный слой атомов углерода, и с тех пор, как он был обнаружен, ученые искали и экспериментировали с другими листовыми материалами. Команда из Стэнфорда использовала слой графена и три других листовых материала – каждый толщиной в три атома – чтобы создать четырехслойный изолятор глубиной всего 10 атомов. Несмотря на свою тонкость, изолятор эффективен, потому что тепловые колебания атомов ослабляются и теряют большую часть своей энергии при прохождении через каждый слой.
Чтобы сделать наноразмерные тепловые экраны практичными, исследователи должны будут найти некоторую технологию 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 вырисовывается более крупная амбиция: ученые надеются однажды управлять колебательной энергией внутри материалов так, как они теперь управляют электричеством и светом. По мере того, как они начинают понимать тепло в твердых объектах как форму звука, возникает новая область фононики, название которой взято из греческого корневого слова, стоящего за телефоном, фонографом и фонетикой.
«Как инженеры, мы довольно много знаем о том, как контролировать электричество, и мы поправляемся со светом, но мы только начинаем понимать, как управлять высокочастотным звуком, который проявляется как тепло в атомном масштабе, "Поп сказал.
Эрик Поп является сотрудником Института энергетики Прекурта.
Среди авторов Стэнфорда – бывшие постдокторанты Эйлам Ялон и Мигель Муньос Рохо, а также аспиранты Коннор Макклеллан, Коннор Бейли, Кирби Смит, Александр Габури, Виктория Чен, Санчит Дешмук и Саураб Сурьяванши. Другие авторы – из Theiss Research и Национального института стандартов и технологий.
Это исследование было поддержано Стэнфордским центром нанофабрикций, Стэнфордским коллективным производством нанотехнологий, Национальным научным фондом, Корпорацией полупроводниковых исследований, Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны, Управлением научных исследований ВВС, Стэнфордским альянсом SystemX, Кнутом и Алисой.
Фонд Валленберга, Программа стипендий для аспирантов Стэнфордского университета и Национальный институт стандартов и технологий.