Всякая деятельность генерирует тепло, потому что энергия ускользает от всего, что мы делаем. Но слишком много может привести к износу батарей и электронных компонентов — например, детали в стареющем ноутбуке, который слишком сильно нагревается, чтобы на самом деле сидеть у вас на коленях. Если вы не можете избавиться от тепла, у вас проблема.
Ученые из Чикагского университета изобрели новый способ отвода тепла на микроскопическом уровне: теплоизолятор, изготовленный с использованием инновационной технологии. Они накладывают ультратонкие слои кристаллических листов друг на друга, но слегка поворачивают каждый слой, создавая материал с атомами, которые выровнены в одном направлении, но не в другом.«Представьте себе частично законченный кубик Рубика, в котором все слои повернуты в случайном направлении», — сказал Ши Эн Ким, аспирант Притцкеровской школы молекулярной инженерии, который является первым автором исследования. "Это означает, что внутри каждого слоя кристалла у нас все еще есть упорядоченная решетка атомов, но если вы перейдете к соседнему слою, вы не будете знать, где следующие атомы будут относительно предыдущего слоя — атомы совершенно беспорядочные в этом направлении ".
В результате получается материал, который чрезвычайно хорош как в удерживании тепла, так и в его перемещении, хотя и в разных направлениях — необычная способность в микромасштабе, которая может иметь очень полезные применения в электронике и других технологиях.«Сочетание превосходной теплопроводности в одном направлении и отличной изоляции в другом направлении вообще не существует в природе», — сказал ведущий автор исследования Дживун Парк, профессор химии и молекулярной инженерии в Чикагском университете. «Мы надеемся, что это может открыть совершенно новое направление для создания новых материалов»."Просто удивительно низко"Ученые постоянно ищут материалы с необычными свойствами, потому что они могут открыть совершенно новые возможности для таких устройств, как электроника, датчики, медицинские технологии или солнечные батареи.
Например, аппараты МРТ стали возможны благодаря открытию странного материала, который отлично проводит электричество.Группа Парка изучала способы создания чрезвычайно тонких слоев материалов, толщина которых составляет всего несколько атомов.
Обычно материалы, используемые для устройств, состоят из чрезвычайно регулярных повторяющихся решеток атомов, что позволяет электричеству (и теплу) очень легко проходить через материал. Но ученые задались вопросом, что произойдет, если они вместо этого слегка повернут каждый последующий слой при их укладке.
Они измерили результаты и обнаружили, что микроскопическая стенка из этого материала очень хорошо предотвращает перемещение тепла между отсеками. «Теплопроводность на удивление низка — как воздух, который по-прежнему остается одним из лучших изоляторов, которые мы знаем», — сказал Парк. «Это само по себе удивительно, потому что очень необычно найти это свойство в материале, который является плотным твердым телом — они, как правило, являются хорошими проводниками тепла».Но по-настоящему захватило ученых, когда они измерили способность материала переносить тепло вдоль стены и обнаружили, что это может быть очень легко.Комбинация этих двух свойств может быть очень полезной.
Например, уменьшение размеров компьютерных микросхем приводит к тому, что все больше и больше энергии проходит через небольшое пространство, создавая среду с высокой «удельной мощностью» — опасную точку доступа, сказал Ким.«По сути, вы запекаете свои электронные устройства на такой мощности, как если бы вы помещали их в микроволновую печь», — сказала она. «Одна из самых больших проблем в электронике — это отвод тепла в таком масштабе, потому что некоторые компоненты электроники очень нестабильны при высоких температурах.«Но если мы сможем использовать материал, который может одновременно проводить тепло и изолировать тепло в разных направлениях, мы сможем отводить тепло от источника тепла, такого как аккумулятор, при этом избегая более хрупких частей устройства. . "Эта возможность может открыть двери для экспериментов с материалами, которые были слишком чувствительны к нагреванию, чтобы инженеры могли использовать их в электронике. Кроме того, создание экстремального температурного градиента — когда что-то очень горячее с одной стороны и холодное — с другой — трудно сделать, особенно в таких небольших масштабах, но может иметь множество применений в технологии.
«Если вы подумаете о том, что оконное стекло сделало для нас — способствовало разделению внешней и внутренней температуры — вы можете понять, насколько это может быть полезно», — сказал Парк.Ученые протестировали свою технику наслоения только на одном материале, называемом дисульфид молибдена, но считают, что этот механизм должен быть общим для многих других. «Я надеюсь, что это открывает совершенно новое направление для создания экзотических теплопроводников», — сказал Ким.В исследовании использовались Центр материаловедения и инженерии Чикагского университета и Притцкеровский центр нанофабрикатов.
Другими соавторами были аспиранты Калифорнийского университета в Чикаго Фаузия Муджид и Прити Поддар; постдокторанты Чибеом Пак (ныне в Исследовательском центре полупроводников Samsung Electronics), Джунки Су (ныне в UNIST) и Ю Чжун; а также Дэвид Кэхилл и Акаш Рай из Иллинойского университета в Урбана-Шампейн, Пол Эрхарт, Фредрик Эрикссон и Эрик Франссон из Технологического университета Чалмерса в Швеции, а также Дэвид Мюллер и Ариана Рэй из Корнельского университета.