Избыточное тепло, выделяемое смартфоном, отводится и при помощи специальных трубчатых систем охлаждения. Но, к сожалению, компоновка гаджета не всегда оказывается удачно. В этом случае тепло может вызывать сбои в работе батареи, и иногда даже приводит к воспламенению и взрыву аккумулятора.
Для того, чтобы одни компоненты внутри электронных устройств не нагревали другие, разработчики вынуждены прибегать к самым разнообразным ухищрениям. Иногда они вставляют внутрь корпуса изолирующее стекло или пластик, а иногда отделяют компоненты друг от друга воздушной прослойкой. К сожалению, это приводит к увеличению размеров и не позволяет делать устройства более компактными. Но новая разработка ученых Стэнфордского университета решает эту проблему.
Исследователи выяснили, что всего несколько слоев материала толщиной в один атом, уложенные стопкой, обеспечивают такую же температурную изоляцию, как лист стекла в сто раз толще. По словам профессора Эрика Попа, профессора электротехники и главы исследования, такие тепловые щиты позволят инженерам делать электронные устройства еще более компактными, тонкими и легкими. Также она отметает множество инженерных проблем. Ведь теперь можно без опаски размещать рядом греющийся элемент и элемент, который боится нагрева, достаточно лишь разделить их тонким защитным экраном.
Тепло как звук
Тепло, которое исходит от смартфонов или ноутбуков, можно рассматривать как неслышимую человеческим ухом форму высокочастотного звука. Если эта идея кажется странной, обратимся к основам физики.
Электричество течет по проводам в виде потока электронов. Когда электроны движутся, они сталкиваются с атомами материалов, через которые они проходят. С каждым столкновением электрон заставляет атом вибрировать, И чем сильнее ток, тем больше столкновений происходит. Какофония вибраций движется по твердому материалу на частотах, намного превышающих порог человеческого слуха, генерируя при этом энергию, которую мы ощущаем как тепло.
Именно такой взгляд на природу тепла вдохновил стэнфордских исследователей на разработку тонких тепловых щитов. Если многослойный стеклопакет в окне отлично блокирует и звук и, температуру, то почему бы не применить тот же принцип в электронике?
Как выяснилось, для надежного блокирования тепла можно использовать даже материалы толщиной в один атом, важно лишь количество слоев. Команда использовала одноатомный слой графена и ещё три листовых материала, каждый толщиной в три атома, для создания четырёхслойного изолятора общей глубиной всего 10 атомов. Несмотря на малую толщину, изолятор эффективен, потому что атомарные тепловые вибрации демпфируются и теряют большую часть своей энергии при прохождении через каждый слой.
Чтобы наноразмерные тепловые экраны могли применяться на практике, исследователям придется найти какую-то технику их массового производства или распыления одноатомных материалов на электронные компоненты. Но главная цель разработки еще более амбициозна. Ученые надеются, что однажды они смогут контролировать энергию колебаний внутри материалов так, как сегодня мы можем контролируют электричество и свет.
"Как инженеры, мы достаточно много знаем о том, как контролировать электричество, и мы все лучше разбираемся в работе света. Но мы лишь сейчас начинаем понимать, как манипулировать высокочастотным звуком, который на атомном масштабе проявляется как тепло", - говорит профессор Поп.
